Ferriitit

Malli ferriittien kuutiomaisesta kiderakenteesta, jossa on upotettuja metalliyhdisteitä Tokion teknillisen instituutin museossa

Ferriitit ovat sähköisesti huonoja tai johtamattomia ferrimagneettisia keraamisia materiaaleja, jotka on valmistettu rautaoksidi- hematiitista ( Fe 2 O 3 ), harvemmin magnetiitista (Fe 3 O 4 ) ja muista metallioksideista . Koostumuksesta riippuen ferriitit ovat magneettisesti kovia tai magneettisesti pehmeitä .

Perusasiat

Ero pehmeiden ja kovien magneettisten materiaalien välillä näkyy selvästi hystereesikäyrien eri muodoissa.

Ferriitit ovat pehmeitä tai kovia magneettisia ferrimagneettisia , enimmäkseen keraamisia materiaaleja, jotka on valmistettu rauta (III) oksidista ( hematiitti , Fe 2 O 3 ) tai magnetiitista (Fe 3 O 4 ) ja metallioksideista - tai metallikarbonaateista lisäaineina, jotka määrittävät vastaavat materiaalit ovat.

Ferriittien kemiallinen koostumus voidaan kuvata yleisellä kaavalla MeO • Fe 2 O 3 = MeFe 2 O 4 , jossa Me pehmeille magneettisille ferriiteille metalleille nikkeli (Ni), sinkki (Zn), mangaani (Mn), koboltti ( Co), kupari (Cu), magnesium (Mg) tai kadmium (Cd), koville magneettisille ferriiteille bariumille (Ba), strontiumille (Sr) tai koboltille (Co). Ferriitissä on noin neljä happiatomia jokaista kolmea metallia kohden. Metallit ja happi muodostavat kuutiomaisen kidejärjestelmän , johon metalliseoskomponentit on upotettu. Kristallijärjestelmät kasvavat sitten erikokoisiksi jyviksi. Koska ulompien rajojen sisällä jyvien koostuvat ei-johtavasta Fe 2 O 4 , ne ovat sähköisesti eristetyt toisistaan. Tämä on erityisen tärkeää pehmeille magneettisille ferriiteille, koska se tekee ferriittimateriaalista käytännöllisesti katsoen johtamatonta ja magneettisydämiä voidaan siksi tuottaa erittäin pienillä ydinhäviöillä .

Ferrimagnetismi eroaa ferromagneettista vuonna vastakkaiskenttärekonnektio, mutta määrällisesti epätasaisesti magneettinen järjestys alkeismagneeteilla vuonna Weiss verkkotunnukset . Pyörii paramagneettisten ionien, jotka ovat vastakkain linjassa johtuen super-vaihto , ovat vain osittain kompensoida. Kahden vierekkäisen perusmagneetin magnetointi kumoaa siis vain osittain toisensa. Makroskooppinen käyttäytyminen on siten ferromagnetismin heikompi muoto, mikä selittää ferriittien suhteellisen alhaisen kyllästymisen induktion .

ominaisuudet

Erotetaan pehmeiden magneettisten ja kovien magneettisten ferriittien välillä. Pehmeillä magneettisilla ferriiteillä on mahdollisimman pieni pakotuskentän voimakkuus , kovilla magneettisilla ferriiteillä mahdollisimman suuri. Onko magneettinen materiaali melko pehmeää vai kovaa magneettista, voidaan määrittää sen hystereesikäyrän avulla . Pehmeillä magneettisilla ferriiteillä pyritään tekemään (uudelleen) magnetoitavuudesta mahdollisimman helppoa, mikä vastaa kapeaa hystereesikäyrää.

Pehmeät magneettiset ferriitit

Käytetään pehmeitä magneettisia ferriittisydämiä, kuten DC-DC-muuntimissa ja kytkentävirtalähteissä

Pehmeitä magneettisia ferriittejä käytetään sähkötekniikassa kuten magneettisydämien on muuntajat , hakkuriteholähteen tarvikkeet , kuristimet ja kelat . Kun tyydyttymätön tapauksessa korkea magneettinen johtavuus (permeabiliteetti) on mahdollista.

Koska ne ovat tuskin sähköä johtavia ja siksi pyörrevirtahäviöitä ei tapahdu juuri lainkaan , ne soveltuvat myös korkeille taajuuksille jopa muutamaan megahertsiin asti . Mikroaalloille sopivat erityiset ferriitit koostuvat spinelleistä ja granaateista .

Tavallisia pehmeitä magneettisia ferriittimateriaaleja ovat:

  • Mangaani - sinkki ferriittiä (MnZn) koostumuksessa Mn Zn (1-a) Fe 2 O 4
  • Nikkeli- sinkkiferriitit (NiZn) koostumuksessa Ni a Zn (1-a) Fe 2 O 4

Verrattuna NiZn: ​​ään, MnZn: llä on suurempi läpäisevyys ja suurempi kylläisyysmagnetointi. Sähkönjohtavuus on NiZn on pienempi kuin Mn-Zn, minkä vuoksi NiZn sopii korkeampia taajuuksia.

Kovia magneettisia ferriittejä

Kovat magneettiset ferriitit (mustat lohkot), joita käytetään kestomagneeteina

Kovia magneettisia ferriittejä käytetään edullisina kestomagneeteina esimerkiksi kaiuttimissa . Verrattuna harvinaisten maametallien magneetteihin niillä on pienempi pakotuskentän voimakkuus ja pienempi remanentti vuontiheys ja siten niiden magneettinen energiatiheys on huomattavasti pienempi . Tavallisia kovia magneettisia ferriittimateriaaleja ovat:

Bariumferriitit ovat suhteellisen kestäviä ja herkkiä kosteudelle .

Valmistus

Pehmeät magneettiset ferriitit

Lähtötuotteet magneettisesti pehmeiden ferriittien valmistuksessa ovat hienojakoisia rauta-happiyhdisteitä, kuten rauta (III) oksidia tai hematiittia. Nämä rautaoksidit tunnetaan yleisesti ruosteena. Lisäaineina lisätään myös hienojakoisia metallioksideja tai metallikarbonaatteja. Nämä jauhemateriaalit sekoitetaan keskenään mahdollisimman tasaisesti joko kuivana tai vesihauteessa. Seokselle suoritetaan sitten kemiallinen prosessi, jota kutsutaan kalsinoimiseksi noin 1000 ° C: ssa. Tämä prosessi on vanhentunut "esisintrautumisena" . Kalsinointiprosessin aikana happi- tai karbonaattiyhdisteet hajoavat osittain ja lisäaineet upotetaan rautaoksidin kuutiokristallijärjestelmään. Kalsinoinnin jälkeen tuloksena oleva jauhe sekoitetaan jälleen veden ja sideaineen kanssa ja jauhetaan mahdollisimman suuriksi hienoiksi jyviksi, joiden raekoko on noin 1-2 µm. Nämä jyvät muodostavat myöhemmän materiaalin vastaavat alkeismagneetit.

Kun jauhe on kuivunut, se puristetaan haluttuun muotoon korkealla ja tasaisella paineella. Aihiot sintrataan tämän jälkeen erityisesti mukautetussa ilmakehässä 1000 - 1450 ° C: ssa. Sintrauksen aikana ytimen tilavuus kutistuu noin 40-50%. Esisintratun tuotteen ja sintratun tuotteen, pehmeän magneettisen keraamisen ferriitin, kemiallinen koostumus ja ennen kaikkea molekyylirakenne eroavat suuresti.

Ferriittisydämet, joissa on ilmarako, on hiottava tarkasti uudelleen mittojen tarkkuuden vuoksi. Käämityslangan eristysjännitteen ja dielektrisen lujuuden ylläpitämiseksi, jos langan eristys on vaurioitunut, keraamiset ferriittiytimet päällystetään yleensä sopivalla eristyksellä (paryleeni, epoksihartsi tai polyuretaani). Keraamiset ferriitit, kuten kaikki keraamiset materiaalit, ovat kovia ja hauraita ja siksi alttiita rikkoutumiselle.

Toinen mahdollisuus tuottaa pehmeää magneettista ferriittiä on sekoittaa jauhetut jyvät termoplastisen komposiittimateriaalin kanssa ja saada tämä massa haluttuun muotoon ruiskupuristusprosessin avulla. Tämä voi tapahtua ilman sintrausta eli ilman kutistumista, minkä seurauksena voidaan saavuttaa erittäin tiukat mekaaniset toleranssit. Myöhempi käsittely muovien tavanomaisilla menetelmillä on mahdollista. Niin kutsuttuja "plastoferriittejä" valmistetaan käämikannattimina, monireikäisinä ytiminä ja koteloina, tulppina ja kalvoina. Tyypillisiä käyttöesimerkkejä plastoferriiteille ovat sen lisäksi, että niitä käytetään magneettisydäminä induktansseille, suojuksille, häiriönpoistokuristimille ja taipuisille antenneille.

Kovia magneettisia ferriittejä

Lähtötuotteita kovien magneettisten ferriittien tuotannossa ovat myös hienoksi jauhetut rauta-happiyhdisteet, kuten rauta (III) oksidi tai hematiitti. Tämä jauhe sekoitetaan hienoksi jauhetun bariumin , strontiumin tai kobolttikarbonaatin kanssa ja sitten altistetaan edellä kuvatulle kalsinointiprosessille. Reaktiotuote jauhetaan sitten mahdollisimman hienoksi (yksipintaiset hiukkaset, valkoiset alueet , raekoko 1-2 μm), muotoillaan pelleteiksi, kuivataan ja sintrataan. Tiivisteet voidaan muotoilla ulkoisessa magneettikentässä, jolloin jyvät (yksivyöhykkeiset hiukkaset, jos mahdollista) saatetaan haluttuun suuntaan ( anisotropia ).

Pienten, geometrisesti yksinkertaisten muotojen tapauksessa niin sanottua "kuivapuristusta" voidaan käyttää myös työkappaleiden muotoiluun; Pienimpien hiukkasten (1–2 µm) voimakas taipumus agglomeroitua on tässä syynä useimmiten huonommiin magneettisiin ominaisuuksiin verrattuna ”märkiin” puristettuihin osiin. Suoraan lähtöaineista muodostetut puristetut kappaleet voidaan todellakin kalsinoida ja sintrata yhdessä, mutta tällä tavalla valmistettujen tuotteiden magneettiset ominaisuudet ovat erittäin huonot.

Kovat magneettiset ferriittimateriaalit voidaan myös sekoittaa kestomuovisen komposiittimateriaalin kanssa ja saada haluttuun muotoon ruiskupuristusprosessin avulla. Plastomagneetteja valmistetaan nauhoina, levyinä, renkaina ja onttoina. Tunnetuin plastoferriitin käyttökohde ovat jääkaapin tiivisteiden magneettinauhat.

tarina

Saksalainen kemisti Siegfried Hilpert teki ensimmäisen tutkimuksen oksidien magneettisista ominaisuuksista . Vuonna 1908 hän kuvasi patentissa erilaisia ​​magneettisia oksideja, joilla oli sähköä eristäviä ominaisuuksia käytettäväksi magneettisena ydinmateriaalina. Tällaisten seosten koostumuksena hän ehdotti M 2+ OFe 2 3+ O 3 , jossa "M" tarkoittaa erilaisia ​​kaksiarvoisia metalleja, kuten Mn, Cu, Co, Zn, Ni ja Mg. Näiden kokeellisten seosten erittäin suurten häviöiden vuoksi tätä kehitystä ei jatkettu.

Sintrausolosuhteet ja jälkikäsittelymenetelmät ovat ratkaisevia materiaalien sähköisten ja magneettisten ominaisuuksien kannalta. Tarvittavat perustekijät spinelli kiderakenne kuvattiin 1915 WH Bragg ja K. Nishikawa

2009 IEEE -laatta, joka kunnioittaa japanilaisia ​​ferriittisydämien keksijöitä

Vuonna 1930, T. Takei ja Y. Kato on Tokyo Institute of Technology in Sendai , Japani , syntetisoitiin ensimmäisen ferriitin seokset, joissa on sinkkiä ja rautaa. Tätä varten myönnettiin japanilainen patentti PAT-98844 vuonna 1932. Vuonna 1936 nämä tiedemiehet kehittivät myös pehmeän magneettisen Si-Al-Fe-metallijauheen Sendust vaihtoehtona puhelinverkkojen kelojen permalloylle . Näiden materiaalien kaupallistamiseksi Kato ja Takei perustivat TDK Corporationin vuonna 1935 . TDK alkoi vuonna 1937 magneettisydämien ja ferriittiytimien massatuotannolla vastaanottopiirien keloille. Japanilaisia ​​keksintöjä käytettiin vain Japanissa sodan loppuun asti.

Alussa 1940, JLSnoek alkoi tutkia kupari-sinkkiferriiteistä on Philipsin Natuurkundig Laboratorium jälkeen kun hän oli aiemmin voineet merkittävästi parantaa pehmeä magneettiset seokset. Hänen ensimmäiset yritykset johtivat ferriittimateriaaliin, jonka laatu ja läpäisevyys olivat 10. Snoek myönsi, että näitä arvoja voitaisiin parantaa huomattavasti muuttamalla valmistusprosesseja ja peruskomponentteja. Tämä koski erityisesti ydinhäviöitä korkeammilla taajuuksilla. Käyttöönotto ei-magneettinen FeZn yhdisteiden magneettinen spinellirakenne ja magnetiitti 1940 oli perus keksinnön myöhemmin pehmeää magneettista ferriittisydämet.

Vastaanotinpiirien käämien miniaturointi vuosina 1936-1974 parannettujen ydinmateriaalien avulla

Snoekin työ inspiroi ranskalaista tutkijaa Louis Néelia . 1940-luvun puolivälissä tekemiensä perusteellisten löytöjen jälkeen antiferromagnetismin ja ferromagnetismin alalta hän muotoili ferrimagnetismin teoriansa vuonna 1948 . Neel palkittiin magnetismia koskevasta työstään, tärkeät oivallukset kiinteän olomuodon fysiikasta ovat johtaneet, vuonna 1970 fysiikka - Nobel -palkinto .

Snoekia ympäröivä tutkimusryhmä kehitti yhteensä neljä erityyppistä ferriittiä: CuFe-ferriitit, MnZn-ferriitit, Mg-Zn-ferriitit ja NiZn-ferriitit. Philips markkinoi niitä kauppanimellä "Ferroxcube" (Fe = rauta, härkä = oksidi, kuutio = kuutiomainen kiderakenne). Ensimmäinen teollinen läpimurto tuli vuonna 1946, kun sitä käytettiin televiestintäalalla. Toisen maailmansodan jälkeinen hieman vaikea tilanne, jossa ferriittikeksintöjen patenttioikeudet johtivat vuonna 1947 Philipsin ja American Western Electricin väliseen sopimukseen ristisopimuksen muodossa, joka oli erittäin onnistunut molemmille osapuolille.

Radio- ja myöhempien televisiovastaanottimien kasvava kysyntä kiihdytti pehmeiden magneettisten ferriittien kehittymistä yhä uusiin, sovelluskohtaisiin ominaisuuksiin. Ensimmäiset esimerkit ovat televisioiden taipumayksiköiden kääntörenkaat ja kytketyn virtalähteen muuntajat. Vuosina 1960–2000 uusia ferriittityyppejä kehitettiin jatkuvasti. Materiaaleja, joiden läpäisevyys on jopa 30 000 ja sovelluksiin jopa 10 MHz, on kehitetty. Uusi kehitys nanoteknologian alalla avaa uusia näkökulmia, joten näyttää siltä, ​​että pehmeillä magneettisilla ferriiteillä on myös tärkeä rooli tulevaisuudessa.

Kehittäminen magneettisesti kova ferriitit alkoi toivotun sotku. Vuonna 1950, kun se etsii uutta puolijohdeaineesta assistenttina Philipsin laboratorio teki virheen valmistettiin näyte kuusikulmainen lantaaniferriitti käyttäen barium . Hänen tutkimuksensa aikana löydettiin hyvät kovat magneettiset ominaisuudet ja materiaalista kehitettiin edelleen bariumheksaferriittiä (BaFe 12 O 19 ). Toisaalta materiaalilla on suuri pakottava kenttävoimakkuus ja toisaalta se on halpaa. Sitä markkinoitiin kauppanimellä "Ferroxdure" vuodelta 1952 ja se löysi nopeasti tiensä kaiuttimiin kestomagneettina.

1960 -luvulla Philips kehitti strontiumheksaferriitin (SrFe 12 O 19 ), jolla oli paremmat ominaisuudet kuin bariumheksaferriitilla. Barium ja strontiumheksaferriitti hallitsevat edelleen markkinoita alhaisten kustannustensa vuoksi. On kuitenkin löydetty muita materiaaleja, joilla on parantuneet ominaisuudet. BaFe 2 + 2Fe 3 + 16O 27 tuli vuonna 1980 ja Ba 2 ZnFe 18 O 23 tuli vuonna 1991.

käyttöalueet

Taitettavat ferriitit , esim. B. seisovan aallon suodattimille

Sovellus Materiaaleille magneettinen ferriitti pääasiassa sähkötekniikassa .

Pehmeät magneettiset ferriitit:

Laaja valikoima malleja valmistetaan sovelluksesta riippuen:

Eri lakatut ferriittiset toroidiset ytimet (värejä käytetään helpompaan tunnistamiseen)

Toroidaaliset ytimet  (kuva) , sauvasydämet, ns. Puolaytimet, pottiytimet, E- ja U-ytimet (yhdessä samanlaisten tai I-ytimien kanssa). Kirjaintunnistus perustuu muotoon. Suurin osa massiivisista ferriiteistä valmistetaan nyt Aasiassa. Kiinassa on rakennettu valtavia tuotantokapasiteetteja useiden vuosien ajan.

Kovat magneettiset ferriitit:

  • Magneettinen pinnoite ääni- ja videonauhoille (mutta ei keraaminen sidottu tähän)
  • Ydin muisti on tietokoneiden kanssa magneettirengasta pujotettu kuparijohtimia (vanhentunut tänään)
  • Kaikenlaiset kestomagneetit, esim. B. Magneettisegmentit sähkömoottoreissa, joita kiihdyttävät magneetit, kaiuttimissa
  • Hartferritpulvernista valmistetut komposiittimateriaalit (yhdisteet) ja lämpö- tai lämpökovettuvat , joko ruiskuvaletut , suulakepuristetut tai kalanteroidut . Useimpiin ruiskupuristettuihin työkappaleisiin, jotka on valmistettu kovista ferriittiyhdisteistä, työkaluun ruiskutuksen jälkeen kohdistetaan ulkoinen magneettikenttä magneettisten ominaisuuksien parantamiseksi. Kalanteroitujen ja joskus myös suulakepuristettujen yhdisteiden kohdalla kohdistus tapahtuu ihanteellisesti mekaanisesti, käyttämällä kovien ferriittijyvien verihiutaleiden muotoa. Toisaalta kovassa ferriittijauheessa ruiskuvaluyhdisteille tulisi olla mahdollisimman pyöreitä rakeita, koska niiden pitäisi silti pystyä pyörimään erittäin kovassa (erittäin viskoosisessa) muovimatriisissa, kun ne on kohdistettu ulkoiseen magneettikenttään.

kirjallisuus

  • S. Krupicka: Ferriittien fysiikka Vieweg Verlag Braunschweig, 1973, ISBN 3-528-08312-3 .
  • J. Smit, HPJ Wijn: Ferrite Philips Technical Library - NV Philips´ Gloeilampenfabrieken, Eindhoven (Alankomaat), 1962, ilman ISBN -numeroa.
  • W. Kampczyk, E. Roß: Ferriittisydämet Siemens Fachbuch Verlag, München 1978, ISBN 3-8009-1254-6 .
  • Richard P.Feynman, Robert B.Leighton, Matthew Sands: Luentoja fysiikasta. 3. painos, Oldenbourg Verlag, München Wien, 2001, ISBN 3-486-25589-4 .
  • Hans Fischer: Materiaalit sähkötekniikassa. 2. painos, Carl Hanser Verlag, München Wien, 1982 ISBN 3-446-13553-7

nettilinkit

Commons : Ferriitti  - Kokoelma kuvia, videoita ja äänitiedostoja
Wikisanakirja: Ferriitti  - selitykset merkityksistä, sanojen alkuperästä, synonyymeista, käännöksistä

Yksilöllisiä todisteita

  1. ↑ G. Bieser, Ferrites Make Furore, Bild der Wissenschaft, 1. syyskuuta 1997 [1]
  2. ↑ Ekbert Hering, Karl-Heinz Modler (toim.): Insinöörin perustiedot . Fachbuchverlag Leipzig, München 2007, ISBN 978-3-446-22814-6 .
  3. ↑ Freiburgin yliopisto, luentometallit [2]
  4. ↑ Kobolttiferriitin (CoFe2O4) synteesi ja magneettiset ominaisuudet . arxiv : cond-mat / 0606631 .
  5. ↑ a b Pehmeät ferriitit, A Käyttöopas PDF
  6. ↑ Magneetti, lisätietoja ferriittisydämistä PDF
  7. ↑ Neosid, osa 1, Johdanto, General PDF  ( sivu ei ole enää saatavilla , etsiä web arkistoista )  Info: Linkkiä automaattisesti merkitty vialliseksi. Tarkista linkki ohjeiden mukaan ja poista tämä ilmoitus.@1@ 2Malli: Dead Link / www.neosid.de  
  8. ↑ S. Hilpert, Geneettiset ja konstitutiiviset suhteet ferriittien ja rautaoksidien magneettisissa ominaisuuksissa. Chem., Ber. 42 (1909) 2248-2261
  9. ↑ b c T. Stijntjes, B. van Loon, skannaus menneisyytemme Alankomaista, Early Tutkimukset ferromagneettis- Materials JL Snoek ja Kollegat Philips Research Laboratories Eindhoven, Proceedings of the IEEE, Vol.96, nro 5 , Toukokuu 2008 [3]
  10. ↑ L.Jaswal, B.Singh, Ferriittimateriaalit: A Chronological Review Journal of Integrated Science & Technology, 2014, 2 (2), 69-71, [4]
  11. ^ Marc de Vries, 80 vuotta tutkimusta Philips Natuurkundig Laboratoriumissa (1914-1994), s. 95, Amsterdam University Press, 2005 ISBN 90-8555-051-3 .
  12. ^ R. Gerber, CD Wright, G. Asti, Applied Magnetism, s. 335, Springer, 2013 ISBN 94-015-8263-7
  13. ↑ FK Lotgering, PHGM Vromans, MAH Huyberts, "Kestomagneetti, joka on saatu sintraamalla kuusikulmainen ferriitti W = BaFe2Fe16O27", Journal of Applied Physics, voi. 51, s. 5913-5918, 1980
  14. ^ Raul Valenzuela, Magnetic Ceramics, s. 76-77, Cambridge University Press, 2005 ISBN 0-521-01843-9 .