La compatibilité électromagnétique : CEM

Rappels d’électromagnétisme

Historique 

La naissance de l’électromagnétisme a commencé par la célèbre expérience de Hans Christian Oersted, en 1820 sur l’effet du courant électrique sur une aiguille aimantée [1]. Il a ainsi découvert la relation entre l’électricité et le magnétisme ouvrant la voie à l’électromagnétisme, qui allait devenir l’un des piliers de la physique du XIXe siècle. En 1864, James Clerk Maxwell parvint à formaliser de façon rigoureuse les concepts du champ électrique et du champ magnétique à partir des travaux d’Ampère et de Faraday. Il a réussi à établir les lois ou les équations fondamentales de l’électromagnétisme (vingt équations) qui caractérisent « l’état électromagnétique » d’un point quelconque dans l’espace. Cette théorie a permis de calculer la vitesse de propagation des phénomènes électriques et magnétiques, mais jusqu’alors on n’avait pas pu la vérifier expérimentalement.

C’était Heinrich Hertz, en 1888, qui a démontré expérimentalement ces lois fondamentales. Il a pu produire, grâce à une décharges électrique, des ondes de grandes longueurs d’onde (appelées ondes hertziennes) dont il a mesuré la vitesse de propagation et vérifié qu’elle s’identifiait bien avec celle de la lumière. Cette expérience a aussi permis de mettre en évidence les phénomènes de réflexion et réfraction des ondes. Au moyen de quatre équations relativement simples, Heaviside a réussi à unifier l’électricité, le magnétisme et l’optique, achevant ainsi la théorie de Maxwell. Depuis, l’électromagnétisme prend un nouvel élan avec le développement technologique continu dans les domaines de l’électronique et de la télécommunication. εais ce développement est accompagné par l’apparition des interférences et des perturbations électromagnétiques (IEM). Ces dernières ont augmenté significativement avec l’invention des composants électroniques à haute densité, tels que le transistor bipolaire dans les années 1950, le circuit intégré dans les années 1960 et les puces à microprocesseur dans les années 1970. Par conséquent, le spectre fréquentiel utilisé devient beaucoup plus large, pour subvenir à des besoins technologiques de plus en plus croissants.

La compatibilité électromagnétique : CEM

Selon le décret français n°92-587 relatif aux appareils électriques et électroniques, la compatibilité électromagnétique CEM est définie comme étant ´´l’aptitude d’un dispositif, d’un appareil ou d’un système à fonctionner dans son environnement électromagnétique de façon satisfaisante et sans produire lui-même des perturbations électromagnétiques de nature à créer des troubles graves dans le fonctionnement des appareils ou des systèmes situés dans son environnement´´ [2]. Des niveaux d’immunité et d’émission ou de perturbation ont alors été mis en place sous forme de limites standards pour gérer le couplage entre les sources de perturbation et les équipements voisins [3] (Figure I.1). Ces limites régissent la résistance de l’appareil aux perturbations en provenance de son environnement (le niveau d’immunité) et la quantité de la production des perturbations par l’appareil (le niveau d’émission). Un niveau de compatibilité est alors défini conventionnellement comme la valeur maximale associée aux perturbations appliquées à l’appareil. Il est considéré comme une valeur de référence sur laquelle se base la coordination entre le niveau de perturbation et le niveau d’immunité [4].

Les sources d’interférences électromagnétiques 

Une interférence électromagnétique (IEM) est tout phénomène ou perturbation électromagnétique susceptible de détériorer les performances d’un système ou d’un dispositif électronique. Deux grandes catégories de sources d’interférences électromagnétiques peuvent exister. La première catégorie est d’origine naturelle, par exemple, la foudre, les décharges électrostatiques, les aurores boréales, rayonnements… Et la deuxième catégorie est d’origine artificielle. Cette dernière se révèle comme la principale source de perturbation. Elle est constituée de :
➤ sources qui génèrent directement des émissions à fréquence fixe tels que les émetteurs hertziens comme la radio, la télévision, les radars… et les appareils HF industriels, scientifiques et médicaux.
➤ sources qui engendrent indirectement les émissions à large bande de fréquence comme les circuits numériques, les microprocesseurs, les composants électromécaniques, les convertisseurs à découpage, les gradateurs et variateurs de vitesse, l’oscillateur local d’un récepteur radio, l’allumage des véhicules…

Le blindage électromagnétique 

Le blindage électromagnétique permet de protéger les équipements électriques contre les effets indésirables des couplages électromagnétiques. Il a pour but d’accroître l’immunité électromagnétique d’un dispositif et de diminuer l’émission des ondes indésirables. Il se comporte comme une barrière vis-à-vis des phénomènes de perturbations électromagnétiques, isolant les constituants électriques ou confinant les sources d’émission dans un volume restreint. La protection apportée par les blindages se résume dans la plupart des cas à une association de composants où se conjuguent des câbles blindés, des enceintes blindées et des connecteurs. l’usage de ces protections varie selon l’application et l’environnement visés. Elles peuvent jouer un double rôle, à savoir : la réduction du champ électromagnétique reçu par les composants internes de l’enceinte blindée, et l’élimination du champ électromagnétique émis des sources se trouvant à l’extérieur de l’enceinte. Pour évaluer ce rôle, une efficacité de blindage électromagnétique est déterminée pour estimer la capacité d’un système ou d’un matériau à arrêter les interférences ou les ondes électromagnétiques.

Les différents phénomènes qui contribuent à l’efficacité de blindage sont [6]:
● les pertes par réflexion μ la réflexion sur la paroi gauche est due à l’inadaptation de l’onde électromagnétique rencontrant un changement de milieu.
● les pertes par absorption μ l’absorption est une perte due à la traversée de l’onde électromagnétique d’une certaine épaisseur de matériau (d). Une proportion pénètre dans la paroi et est atténuée par un facteur dépendant de l’épaisseur de peau (į).
● les pertes par réflexions et transmissions multiples : ces réflexions sont ignorées si l’épaisseur du matériau est très importante par rapport à l’épaisseur de peau, et la seule transmission initiale sera considérée. Quand l’épaisseur d << į, de multiples réflexions se produisent entre les parois du blindage. La somme de ces termes diminue de façon importante l’efficacité de blindage totale.

L’efficacité du blindage SE, exprimée en dB, est donnée par l’équation (I. 2) et peut être divisée en trois termes :

SEdB = RdB + AdB + MdB (I. 2)

Avec
RdB: représente les pertes par réflexions (R > 0).
AdB: représente les pertes par absorption dans la paroi (A > 0).
MdB: représente les réflexions et transmissions multiples additionnelles (M < 0). La valeur négative de ce dernier facteur diminue l’efficacité de blindage.

L’électromagnétisme des matériaux composites

Actuellement, une attention particulière a été accordée aux matériaux absorbants radars (RAM) en raison de leur grande capacité de contrôler les problèmes créés par les interférences électromagnétiques (IEM). De nombreuses études ont été réalisées pour la fabrication d’un matériau possédant à la fois une forte absorption dans une large bande de fréquence. Le développement des RAM a porté principalement sur les matériaux composites à base de polymères conducteurs intrinsèques (PCI) et de ferrites [7-9].

Table des matières

Introduction Générale
Chapitre 1 : Étude bibliographique
I. Rappels d’électromagnétisme
I. 1. Historique
I. 2. La compatibilité électromagnétique : CEM
I. 3. δes sources d’interférences électromagnétiques
I. 4. Le blindage électromagnétique
I. 5. L’électromagnétisme des matériaux composites
II. Propriétés électromagnétiques du milieu
II. 1. Les équations électromagnétiques fondamentales de Maxwell
II. 2. Les propriétés magnétiques statiques
II. 2. 1. Différents types de comportements magnétiques
II. 2. 2. Domaines de Weiss et parois de Bloch
II. 2. 3. Grandeurs magnétiques expérimentales
II. 3. Les propriétés magnétiques dynamiques
II. 3. 1. Perméabilité relative
II. 3. 2. Perméabilité initiale
II. 3. 3. Perméabilité initiale complexe
II. 4. Les propriétés des milieux diélectriques
II. 4. 1. Permittivité diélectrique
II. 4. 2. Permittivité complexe et conductivité complexe
II. 4. 3. Mécanismes de polarisation
II. 4. 4. Relaxation diélectrique
III. Les polymères conducteurs
III. 1. Généralités sur les polymères conducteurs
III. 2. Classification des polymères conducteurs
III. 3. Structure électronique des polymères conducteurs
III. 4. Dopage des polymères conducteurs
III. 5. Porteurs de charges
IV. La Polyaniline
IV. 1. Présentation
IV. 2. Dopage de la Polyaniline
IV. 3. Synthèse de la Polyaniline
IV. 4. Application de la Polyaniline
V. Les ferrites
V. 1. Généralités
V. 1. 1. Les ferrites spinelles (XFe2O4; X μ métal bivalent = Co, Ni, Zn …)
V. 1. 2. Les ferrites grenats (X3Fe5O12; X = terre rare ou yttrium)
V. 1. 3. Les ferrites hexagonaux
V. 2. Propriétés des hexaferrites
V. 2. 1. Composition chimique
V. 2. 2. Propriétés structurales de l’hexaferrite de baryum
V. 3. Propriétés magnétiques
V. 3. 1. Le moment magnétique
V. 3. 2. L’anisotropie magnétocristalline
V. 3. 3. Substitution de l’hexaferrite de baryum
V. 4. δes différentes méthodes de synthèse de l’hexaferrite de baryum
V. 4. 1. Voie solide
V. 4. 2. Voie humide
Références Bibliographiques
Chapitre 2 : Techniques de caractérisation
I. Diffraction des rayons X (DRX)
I. 1. Principe
I. 2. Traitement des analyses DRX
II. Spectroscopie Infrarouge à Transformée de Fourrier (IRTF)
III. Microscopie Électronique à Balayage et microanalyse EDX
IV. Analyse Thermogravimétrique
V. Magnétométrie à Échantillon Vibrant (VSM)
VI. Mesure de la Résistivité Électrique
VII. Mesure de la permittivité et de la perméabilité complexes en hyperfréquence
VII. 1. Principe de mesure
VII. 2. L’impédance caractéristique Zc
VII. 3. Les incertitudes de mesures
VII. 3. 1. L’analyse différentielle des algorithmes des modes transmission/réflexion
VII. 3. 2. Effet des lames d’air
VII. 3. 3. Effet de l’emplacement de l’échantillon
VII. 3. 4. Les incertitudes de mesure des paramètres S
VII. 4. Dispositif de mesure
VIII. Conclusion
Références Bibliographiques
Chapitre 3 : Hexaferrite de baryum : synthèse, caractérisations et substitutions
I. Élaboration et caractérisation de l’hexaferrite de baryum BaFe12O19
I. 1. Synthèse hydrothermale de l’hexaferrite de baryum
I. 2. Caractérisations structurales et morphologiques
I. 2. 1. Caractérisation par diffraction des rayons X
I. 2. 2. Synthèse de l’hexaferrite de barym par voie hydrothermale dynamique
I. 2. 3. Affinement des structures des poudres de BaFe12O19
I. 2. 4. Caractérisation par spectroscopie infrarouge
I. 2. 5. Caractérisation par microscopie électronique à balayage
I. 3. Mesures magnétiques
II. Élaboration des hexaferrites de baryum substitués BaMeFe11O19 (avec Me : un métal)
II. 1. Synthèse des hexaferrites de baryum substitués
II. 2. Substitution du Fer par des ions bivalents
II. 2. 1. Propriétés structurales : Diffraction des rayons X
II. 2. 2. Propriétés magnétiques
II. 3. Substitution du Fer par des ions trivalents
II. 3. 1. Propriétés structurales et microstructurale des particules élaborées
II. 3. 2. Propriétés magnétiques
III. Conclusion
Références Bibliographiques
Conclusion Générale

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