La compatibilité électromagnétique : CEM

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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. δ’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.
Généralement, l’efficacité d’un blindage est le rapport entre le champ incident et le champ transmis, ou alternativement le rapport entre le champ sans blindage et le champ après l’introduction du blindage (Figure. I. 2).

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].
Le tableau I. I illustre quelques travaux réalisés sur les composites utilisés comme matériaux absorbants radars.II. 2. Les propriétés magnétiques statiques
À l’échelle atomique, les orbitales électroniques et les spins créent des champs magnétiques donc des moments magnétiques élémentaires. δe résultat de l’alignement plus ou moins rigoureux des moments élémentaires dans un corps se présente comme une aimantation M qui est le moment magnétique par unité de volume. Cet alignement est en général réalisé lors de l’application d’un champ magnétique?⃗⃗⃗. δ’induction magnétique ?⃗⃗ (avec B en T) est alors liée au champ magnétique ?⃗⃗⃗donné par l’expression vectorielle (I. 10).

Différents types de comportements magnétiques

 Le diamagnétisme
Dans le cas du diamagnétisme, l’application d’un champ magnétique entraîne la création d’une aimantation induite dans le sens opposé à celui du champ inducteur.
La susceptibilité due au diamagnétisme, pratiquement indépendante du champ et de la température, est négative et très faible (entre -10-6 et -10-3). En fait, ce type de magnétisme existe dans tous les matériaux, mais il est généralement masqué par les effets du paramagnétisme et ferromagnétisme lorsqu’ils coexistent dans le même matériau.
 Le paramagnétisme
Un matériau par défaut, sans champ appliqué, possède des moments librement orientés (un état désordonné) donnant une aimantation résultante nulle. δorsque l’on applique un champ magnétique externe, ces moments vont s’aligner avec la direction du champ, et s’arranger dans une direction bien définie. Cette orientation est contrebalancée par l’agitation thermique qui disperse l’orientation de ces moments magnétiques (Figure I.3).
La susceptibilité initialement positive décroît lorsque la température augmente. Elle est généralement comprise entre 10-5 et 10-3 à la température ambiante. Dans le cas idéal, l’inverse de la susceptibilité initiale varie proportionnellement à la température.

Domaines de Weiss et parois de Bloch

Un matériau ferromagnétique possède une aimantation homogène. Il est formé de petits domaines appelés domaines magnétiques ou domaines de Weiss (du nom du physicien Pierre Weiss) dans lesquels les spins sont orientés dans une direction donnée [17]. La structure des domaines magnétiques est aussi responsable du comportement magnétique des matériaux ferrimagnétiques. Ces domaines sont séparés par des parois appelées parois de Bloch. Dans lesquelles les orientations de spin tournent progressivement. δa discontinuité de l’orientation magnétique est alors crée d’un domaine à l’autre (Figure I.7).

Grandeurs magnétiques expérimentales

Le cycle d’hystérésis ou hystérèse

Les propriétés du matériau peuvent être abordées à partir d’un cycle d’hystérésis [18] qui consiste en une représentation graphique expérimentale de l’évolution de l’aimantation ε face à la variation de l’intensité du champ magnétique H appliqué, soit M = f ?H? (Figure I.8).
δe matériau est initialement désaimanté. δorsqu’on lui applique un champ magnétique H, l’aimantation ε croît selon la courbe connue sous le nom de courbe de première aimantation jusqu’à atteindre la valeur la plus élevée du cycle appelée l’aimantation à saturation εs. Puis l’aimantation décroît avec la diminution de l’intensité de H. Quand ce champ appliqué est nul,  la valeur de l’aimantation porte le nom d’aimantation rémanente εr. Si l’on diminue le champ, la valeur minimale de l’aimantation atteinte est (-Ms). À partir de ce point, un processus de croissance se poursuit, l’aimantation augmente jusqu’à s’annuler à une valeur de champ magnétique appliqué dit champ coercitif Hc. La courbe fermée se nomme alors cycle d’hystérésis.
Par ailleurs, il est possible d’expliquer la formation de l’hystérèse par évolution des domaines de Weiss et les parois de Bloch en fonction du champ appliqué. En effet, ce champ magnétique H déplace les parois en modifiant la forme et la taille des domaines de Weiss du matériau (Figure I. 9) [19]. Initialement, les moments des domaines sont orientés aléatoirement, l’aimantation et l’induction résultante sont nulles. δors de l’application d’un champ, les domaines dont le moment ayant une orientation voisine de celle du champ appliqué commencent par s’aligner aux dépens des domaines ayant un moment dans le sens inverse. Ce phénomène continue avec l’augmentation de l’intensité du champ, jusqu’à ce que le matériau ait un seul domaine à moment résultant qui est parallèle au champ. Ms est alors atteinte lorsque ce moment s’oriente par rotation suivant l’orientation du champ H.

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. δ’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. δ’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. δ’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
Chapitre 4 : Mise en oeuvre des composites hybrides Polyaniline/hexaferrites de baryum
I. Effet du taux de charges de ferrite sur le comportement des composites Pani/BaFe12O19
I. 1. Élaboration des composites par polymérisation in-situ en milieu acide
I. 2. Propriétés structurales
I. 3. Propriétés thermiques
I. 4. Propriétés magnétiques statiques
I. 5. Conductivité électrique
II. Effet du procédé de polymérisation de l’aniline lors de la mise en oeuvre des composites137
II. 1. Élaboration des composites Pani/BaFe12O19
II. 2. Caractérisation des propriétés physico-chimiques
II. 2. 1. Diffraction des rayons X
II. 2. 2. Spectroscopie Infrarouge
II. 2. 3. Microscopie électronique à balayage
II. 2. 4. Propriétés thermiques
II. 3. Comportement magnétique et électrique
III. 3. 1. Comportement magnétique
III. 3. 2. Comportement électrique
III. Influence de la nature du dopant sur les propriétés physico-chimiques, magnétiques et électriques des composites
III. 1. Dopage de la Polyaniline
III. 2. Effet de l’acide dopant sur les propriétés du composite
III. 2. 1. Diffraction des rayons X
III. 2. 2. Spectroscopie Infrarouge
III. 2. 3. Microscopie électronique à balayage
III. 2. 4. Propriétés thermiques
III. 2. 5. Propriétés magnétiques
III. 2. 6. Conductivité électrique σdc
IV. Étude de la substitution de Fe3+ dans le BaFe12O19 par Al3+, Bi3+, Cr3+ et Mn3+
IV. 1. Élaboration des composites Polyaniline/hexaferrites de baryum substitués
IV. 2. Propriétés structurales
IV. 2. 1. Diffraction des rayons X
IV. 2. 2. Spectroscopie Infrarouge
IV. 2. 3. Microscopie électronique à balayage
IV. 3. Propriétés thermiques
IV. 4. Propriétés magnétiques statiques
IV. 5. Conductivité électrique
V. Conclusion
Références Bibliographiques
Chapitre 5 : Évaluation des performances d’absorption des ondes électromagnétiques en hyperfréquences (1 GHz- 18 GHz) des composites Pani/hexaferrites de baryum
I. Approche théorique
II. Mesure en ligne coaxiale
III. Résultats et discussions
III. 1. Fabrication des tores
III. 2. Effet de la méthode de synthèse
III. 2. 1. Mesure de la permittivité complexe
III. 2. 2. Mesure de la perméabilité complexe
III. 2. 3. Détermination du coefficient de perte RL
III. 3. Effet de la nature de l’acide dopant
III. 3. 1. Mesure de la permittivité complexe
III. 3. 2. Mesure de la perméabilité complexe
III. 3. 3. Détermination du coefficient de perte RL
III. 4. Effet de la substitution dans l’hexaferrite de baryum
III. 4. 1. Mesure de la permittivité complexe
III. 4. 2. Mesure de la perméabilité complexe
III. 4. 3. Détermination du coefficient de perte RL
IV. Concusion
Références Bibliographiques
Conclusion Générale et Perspectives
Annexes

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