Qu’est-ce qu’un aimant en ferrite ?
Les aimants en ferrite sont principalement constitués d’oxyde de fer mélangé à du cobalt, du nickel et du manganèse. La formule moléculaire est exprimée par MFe2O4 (M = Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mg, Zn, Cd, etc.).
Le métal composite M est dominé par des cations divalents. Fe3O4, où M = Fe, est noir et constitue une matière première bien connue, la magnétite. Il existe d’autres composés où le métal composé M est constitué de cations 1, 3 ou même tétravalents, appelés ferrite.
Le processus de production consiste à presser de la ferrite en poudre et à la cuire à haute température. Il s’agit également d’un type de céramique. Elle peut être synthétisée à partir de l’oxyde de fer Fe2O4 et est donc peu coûteuse.
Ses caractéristiques sont qu’elle peut être facilement façonnée dans n’importe quelle forme et qu’elle est facile à traiter. Comme elle est chimiquement stable, elle est résistante à la corrosion par la rouille et les produits chimiques.
Types de ferrites
Les aimants en ferrite peuvent être divisés en deux types : la ferrite dure et la ferrite tendre.
1. Ferrite dure
La ferrite dure est un aimant en ferrite qui, une fois fixé à un aimant puissant, devient un aimant permanent. Elle constitue la majorité des aimants que l’on rencontre dans la vie quotidienne, les aimants en forme de U en étant un exemple typique.
Parmi les autres utilisations, citons les petits moteurs, les haut-parleurs, les écouteurs et les cassettes.
2. Ferrite douce
Les ferrites douces sont des aimants en ferrite qui deviennent des aimants au contact d’un champ magnétique et cessent d’être des aimants lorsqu’ils sont retirés du champ. Elle sont souvent utilisées comme noyau magnétique et conviennent aux utilisations dans les transformateurs et les bobines.
Des exemples concrets simples sont utilisés dans les radios, les télévisions, les consoles de jeux, les voitures, les ordinateurs, les fours à micro-ondes, les aspirateurs et les réfrigérateurs.
Principe des aimants en ferrite
Les propriétés magnétiques des aimants en ferrite diffèrent entre les ferrites dures et les ferrites tendres. Les propriétés magnétiques sont expliquées en premier lieu.
1. Propriétés magnétiques
- Ferromagnétique : un matériau dans lequel le moment magnétique, quantité vectorielle représentant la force et l’orientation de l’aimant, est aligné sans application d’un champ magnétique est appelé matériau ferromagnétique.
- Substances ferrimagnétiques : une substance est ferrimagnétique si les moments magnétiques des atomes voisins sont de direction opposée mais de magnitude différente. Aussi, la substance dans son ensemble est magnétisée. Tous les aimants en ferrite sont ferrimagnétiques.
- Paramagnétiques : un matériau dont le moment magnétique est orienté dans diverses directions en l’absence de champ magnétique, mais dont le moment magnétique est aligné lorsqu’un champ magnétique est appliqué. Il est appelé matériau paramagnétique.
L’aimantation de saturation est l’aimantation maximale à laquelle l’aimantation d’un matériau n’augmente pas lorsque le champ magnétique est augmenté. La température de Curie est la température à laquelle le matériau passe de ferromagnétique à paramagnétique.
2. Ferrite dure
Les ferrites dures sont des matériaux ferromagnétiques et des aimants permanents. Les ferrites dures peuvent être classées en deux types selon l’orientation des pôles magnétiques des molécules : les aimants isotropes et les aimants anisotropes :
- Aimants isotropes : le moment magnétique est orienté dans différentes directions. L’orientation magnétique n’étant pas uniforme, l’aimant peut être magnétisé dans n’importe quelle direction, mais la force magnétique est plus faible.
- Aimants anisotropes : l’orientation du moment magnétique des molécules est alignée ; ils sont donc directionnels mais peuvent fournir une force magnétique importante. Ils sont produits en alignant les pôles magnétiques de chaque molécule de ferrite par l’application d’un champ magnétique pendant la trempe.
3. Ferrite douce
Les ferrites douces ne sont magnétiques que si un champ magnétique externe est appliqué. Par rapport aux ferrites dures, le champ magnétique est plus faible, mais elles ont d’excellentes propriétés magnétiques sur une large gamme de fréquences.
Par exemple, ceux dont la structure cristalline est de type spinelle ont une perméabilité magnétique élevée, ou degré d’aimantation du matériau, sur une large gamme de fréquences. Les aimants de type grenat ont la propriété de ne pas se briser facilement dans la gamme de fréquences des micro-ondes.
Comparaison avec les aimants Alnico
Les aimants Alnico sont fabriqués en ajoutant des éléments additifs tels que l’aluminium (Al), le nickel (Ni) et le cobalt (Co) au fer, en utilisant des méthodes de moulage ou en frittant la poudre.
Les aimants Alnico se caractérisent par une température de Curie, température à laquelle ils cessent d’être des aimants permanents, extrêmement élevée, de 860 °C. Cela signifie qu’ils peuvent être utilisés dans des environnements à haute température. À des températures comprises entre la température ambiante et 400 °C, ils peuvent retrouver pratiquement leur force magnétique initiale lorsqu’ils reviennent à la température ambiante. Ceux qui sont fabriqués par moulage ont également une excellente résistance mécanique.
Parmi les utilisations des aimants Alnico figurent les moteurs électriques, les capteurs, les haut-parleurs et les micros magnétiques des guitares électriques.
Différences avec les aimants en ferrite
Les aimants en ferrite sont principalement composés d’oxyde de fer, tandis que les aimants en Alnico sont principalement constitués de fer avec l’ajout d’aluminium, de nickel et de cobalt. La rétention de la force magnétique dans les aimants Alnico est faible et facilement démagnétisée.
Ils doivent cependant avoir une forme allongée en raison de la distance importante entre les pôles. De plus, l’approvisionnement en cobalt, matière première, est instable et coûteux, de sorte que les aimants en ferrite sont moins chers.
Comparaison avec les aimants en samarium-cobalt
Les aimants samarium-cobalt sont des aimants de terres rares composés de samarium (Sm) et de cobalt (Co). Ils sont divisés en deux types en fonction du rapport de composition : SmCo5 (série 1-5) et Sm2Co17 (série 2-17), la série 1-5, qui contient moins de samarium, étant largement utilisée à l’heure actuelle.
Les aimants en samarium-cobalt se caractérisent par une température de Curie élevée, de l’ordre de 800°C au maximum. En raison de leur excellente résistance à la corrosion, ils peuvent être utilisés tels quels sans traitement de surface et se caractérisent également par leur forme très sélective. Les propriétés magnétiques sont plus élevées que celles des aimants en ferrite et viennent juste après celles des aimants en Néodyme.
Différences avec les aimants en ferrite
Comme ils peuvent être utilisés dans des environnements allant jusqu’à 350°C, ils sont utilisés dans des environnements peu encombrants et à haute température où des forces magnétiques plus élevées que celles des aimants en ferrite sont nécessaires. En revanche, leur faible résistance présente l’inconvénient d’être susceptibles de se fissurer et de s’écailler. Les matières premières que sont le samarium et le cobalt sont toutes deux rares et donc très chères par rapport aux aimants en ferrite.
Comparaison avec les aimants en néodyme
Les aimants au néodyme sont principalement composés de néodyme (Nd), de fer (Fe) et de bore (B). Les aimants au néodyme se caractérisent par leur facilité d’oxydation et leur forte dépendance thermique.
En raison de leur susceptibilité à l’oxydation, ils sont nickelés en surface avant d’être utilisés. Ils sont généralement utilisés à des températures inférieures à 80°C. En raison de leur résistance relativement élevée, ils sont également résistants à la fissuration et à l’écaillage.
Différences avec les aimants en ferrite
Par rapport aux aimants en ferrite, les propriétés magnétiques sont très élevées : la rétention de la force magnétique est environ quatre fois plus élevée et l’énergie maximale produite est dix fois plus élevée. Ils sont plus chers que les aimants en ferrite, mais moins chers que les aimants en samarium-cobalt.