Ferritter

Modell av den kubiske krystallstrukturen til ferritter med innebygde metallforbindelser i museet til Tokyo Institute of Technology

Ferritter er elektrisk dårlig eller ikke-ledende ferrimagnetiske keramiske materialer fremstilt av jernoksyd hematitt ( Fe 2 O 3 ), mer sjelden av magnetitt (Fe 3 O 4 ) og av andre metalloksider . Avhengig av sammensetningen er ferritter magnetisk harde eller magnetisk myke .

Grunnleggende

Forskjellen mellom myke og harde magnetiske materialer er tydelig synlig i hysteresekurvenes forskjellige former.

Ferritter er myke eller harde magnetiske ferrimagnetiske , for det meste keramiske materialer laget av jern (III) oksid ( hematitt , Fe 2 O 3 ) eller magnetitt (Fe 3 O 4 ) og metalloksider - eller metallkarbonater som tilsetningsstoffer, som bestemmer de senere egenskapene til det respektive materialet er.

Den kjemiske sammensetningen av ferritter kan beskrives med den generelle formelen MeO • Fe 2 O 3 = MeFe 2 O 4 , hvor Me for myke magnetiske ferritter for metallene nikkel (Ni), sink (Zn), mangan (Mn), kobolt ( Co), Kobber (Cu), magnesium (Mg) eller kadmium (Cd), for harde magnetiske ferritter for barium (Ba), strontium (Sr) eller kobolt (Co). I en ferritt er det omtrent fire oksygenatomer for hvert tre metall. Metallene og oksygenet danner et kubisk krystallsystem der legeringskomponentene er innebygd. Krystallsystemene vokser deretter til korn av forskjellige størrelser. Siden de ytre grensene til kornene består av ikke-ledende Fe 2 O 4 , er de elektrisk isolert fra hverandre. Dette er spesielt viktig for myke magnetiske ferritter fordi det gjør ferrittmaterialet praktisk talt ikke-ledende, og magnetiske kjerner kan derfor produseres med ekstremt lave tap av kjerner .

Ferrimagnetism skiller seg fra ferromagnetisme i den antiparallelle, men kvantitativt ujevnt fordelt magnetisk rekkefølgen av de elementære magnetene i Weiss domenene . Spinnene til paramagnetiske ioner som er motsatt justert på grunn av superutveksling er bare delvis kompensert. Magnetiseringene av to nærliggende elementmagneter avbryter derfor bare delvis hverandre. Den makroskopiske oppførselen er således en svakere form for ferromagnetisme, noe som forklarer den relativt lave metningsinduksjonen av ferritter.

eiendommer

Det skilles mellom myke magnetiske og harde magnetiske ferritter. Myke magnetiske ferritter har så lav en tvangsfeltstyrke som mulig , harde magnetiske ferritter så høy som mulig. Om et magnetisk materiale er ganske mykt eller hardt magnetisk kan bestemmes ved hjelp av hysteresekurven . For myke magnetiske ferritter er målet å gjøre (re-) magnetiserbarhet så enkel som mulig, noe som tilsvarer en smal hysteresekurve.

Myke magnetiske ferritter

Typer av myke magnetiske ferrittkjerner, som i DC-DC-omformere og koblingsstrømforsyninger , brukes

Myke magnetiske ferritter brukes innen elektroteknikk som magnetiske kjerner i transformatorer , strømforsyninger i koblingsmodus , chokes og i spoler . I det umettede tilfellet er høy magnetisk ledningsevne (permeabilitet) mulig.

Siden de knapt er elektrisk ledende og derfor nesten ikke oppstår virvelstrømstap , er de også egnet for høye frekvenser opp til noen få megahertz . Spesielle ferritter som passer for mikrobølger består av spineller og granater .

De vanlige myke magnetiske ferrittmaterialene er:

  • Mangan - sink -ferritt (Mn) i blandingen Mn et Zn (1-a) Fe 2 O 4
  • Nikkel- sinkferritter (NiZn) i sammensetningen Ni a Zn (1-a) Fe 2 O 4

Sammenlignet med NiZn har MnZn høyere permeabilitet og høyere metningsmagnetisering. Den elektriske ledningsevnen til NiZn er lavere enn MnZn, og derfor er NiZn egnet for høyere frekvenser.

Harde magnetiske ferritter

Harde magnetiske ferritter (svarte blokker) som brukes som permanente magneter

Harde magnetiske ferritter brukes som billige permanente magneter, for eksempel i høyttalere . Sammenlignet med magneter av sjeldne jordarter har de en mindre tvangsfeltstyrke og mindre reststrømningsdensitet og har dermed en betydelig lavere magnetisk energitetthet . De vanlige harde magnetiske ferrittmaterialene er:

Bariumferritter er forholdsvis robuste og ufølsomme for fuktighet .

Produksjon

Myke magnetiske ferritter

Utgangsproduktene for produksjon av magnetisk myke ferritter er finmalte jern-oksygenforbindelser som jern (III) oksid eller hematitt. Disse jernoksidene er ofte kjent som rust. Finmalte metalloksider eller metallkarbonater tilsettes også som tilsetningsstoffer. Disse pulvermaterialene blandes med hverandre så jevnt som mulig, enten tørre eller i et vannbad. Blandingen blir deretter utsatt for en kjemisk prosess kalt kalsinering ved rundt 1000 ° C. Denne prosessen er foreldet, kjent som "for-sintring" . Under kalsineringsprosessen spaltes oksygen- eller karbonatforbindelsene delvis, og tilsetningsstoffene er innebygd i det kubiske krystallsystemet til jernoksidet. Etter kalsinering blandes det resulterende pulveret igjen med vann og et bindemiddel og males til fine korn av samme størrelse som mulig med kornstørrelser på ca. 1 til 2 um. Disse kornene danner de respektive elementære magneter av det senere materialet.

Etter at pulveret har tørket, presses det til ønsket form ved bruk av høyt og jevnt trykk. Blankene sintres deretter i en spesialtilpasset atmosfære ved 1000 til 1450 ° C. Under sintringen krymper volumet av kjernen med omtrent 40 til 50%. Den kjemiske sammensetningen og fremfor alt molekylstrukturen til det pre-sintrede produktet og det sintrede produktet, en myk magnetisk keramisk ferritt, er veldig forskjellige.

Ferritkjerner som har et luftgap, må nøyes på nytt for dimensjonsnøyaktighet. For å opprettholde isolasjonsspenningen og den dielektriske styrken til viklingstråden hvis ledningsisolasjonen er skadet, er de keramiske ferrittkjernene vanligvis belagt med en passende isolasjon (parylene, epoxyharpiks eller polyuretan). Keramiske ferritter, som alle keramiske materialer, er harde og sprø og derfor utsatt for brudd.

En annen mulighet for å produsere en myk magnetisk ferrit er å blande de malte kornene med et termoplastisk komposittmateriale og bringe denne massen i ønsket form ved hjelp av en sprøytestøpeprosess. Dette kan skje uten sintring, dvs. uten krymping, som et resultat av at meget tette mekaniske toleranser kan oppnås. Senere bearbeiding ved bruk av metodene som er vanlige for plast er mulig. Den såkalte "Plastoferrite" er produsert som spiralbærere, flerhullskjerner og i form av hus, plugger og folier. Typiske brukseksempler for plastoferritter er, i tillegg til deres bruk som magnetiske kjerner for induktanser, skjold, interferensdempende choker og fleksible antenner.

Harde magnetiske ferritter

Utgangsproduktene for produksjon av harde magnetiske ferritter er også finmalte jern-oksygenforbindelser som jern (III) oksid eller hematitt. Dette pulveret blandes med finmalt barium , strontium eller koboltkarbonat og deretter utsettes for kalsineringsprosessen beskrevet ovenfor. Reaksjonsproduktet blir deretter malt så fint som mulig (enkeltpartikler, hvite områder , kornstørrelse 1 til 2 mikrometer), formet til pellets, tørket og sintret. Pressene kan formes i et eksternt magnetfelt, med kornene (enkeltsone-partikler hvis mulig) føres i en foretrukket retning ( anisotropi ).

Når det gjelder små, geometrisk enkle former, kan såkalt "tørrpressing" også brukes til å forme arbeidsemner; Her er den sterke tendensen til (re) agglomerering av de minste partiklene (1 til 2 µm) årsaken til for det meste dårligere magnetiske egenskaper sammenlignet med de "våte" pressede delene. Pressede legemer dannet direkte fra utgangsmaterialene kan faktisk kalsineres og sintres sammen, men de magnetiske egenskapene til produkter produsert på denne måten er veldig dårlige.

Harde magnetiske ferrittbasismaterialer kan også blandes med et termoplastisk komposittmateriale og bringes i ønsket form ved hjelp av en sprøytestøpeprosess. Plastmagneter er laget som strimler, plater, ringer og hule former. Den mest kjente applikasjonen for plastoferritt er magnetstrimlene i kjøleskapstetninger.

historie

Den tyske kjemikeren Siegfried Hilpert gjorde den første undersøkelsen av magnetiske egenskaper til oksider . I 1908 beskrev han i et patent forskjellige magnetiske oksider med elektrisk isolerende egenskaper for bruk som magnetisk kjernemateriale. Som en sammensetning av slike legeringer han foreslo M 2+ ofe 2 3+ O 3 , hvor “M” står for forskjellige toverdige metaller, som Mn, Cu, Co, Zn, Ni og Mg. På grunn av de store tapene av disse eksperimentelle legeringene på den tiden ble denne utviklingen ikke forfulgt lenger.

Sintringsforholdene og etterbehandlingsmetodene er avgjørende for materialets elektriske og magnetiske egenskaper. De nødvendige grunnleggende for spinelkrystallstrukturen ble beskrevet i 1915 av WH Bragg og K. Nishikawa

2009 IEEE-plakett som hedrer de japanske oppfinnerne av ferrittkjerner

I 1930 syntetiserte T. Takei og Y. Kato ved Tokyo Institute of Technology i Sendai , Japan , de første ferritlegeringene med sink og jern. Det japanske patentet PAT-98844 ble gitt for dette i 1932. I 1936 utviklet disse forskerne også det myke magnetiske Si-Al-Fe metallpulveret Sendust som et alternativ til permalloy i spoler for telefonnettverk. For å kommersialisere disse materialene grunnla Kato og Takei TDK Corporation i 1935 . TDK startet i 1937 med masseproduksjon av magnetiske kjerner og ferrittkjerner for spoler i mottakerkretser. De japanske oppfinnelsene ble bare brukt i Japan til slutten av krigen.

På begynnelsen av 1940-tallet begynte JLSnoek å undersøke kobber-sink-ferritter ved Philips Natuurkundig Laboratorium etter at han tidligere hadde klart å forbedre myke magnetiske legeringer. Hans første forsøk resulterte i et ferrittmateriale med høy kvalitet og permeabilitet på 10. Snoek erkjente at disse verdiene kunne forbedres betraktelig ved å endre produksjonsprosessene og de grunnleggende komponentene. Spesielt gjaldt dette kjernetapene ved høyere frekvenser. Innføringen av ikke-magnetiske FeZn-forbindelser i den magnetiske spinellstrukturen til magnetitt fra 1940 var den grunnleggende oppfinnelsen for de senere myke magnetiske ferrittkjernene.

Miniatyrisering av spoler for mottakerkretser i årene 1936 til 1974 gjennom forbedrede kjernematerialer

Arbeidet til Snoek inspirerte den franske forskeren Louis Néel . Etter sine grunnleggende funn innen antiferromagnetisme og ferromagnetisme på midten av 1940-tallet, formulerte han sin teori om ferrimagnetisme i 1948 . Neel ble tildelt for sitt arbeid med magnetisme, viktig innsikt i solid state fysikk har ledet, i 1970 fysikken - Nobelprisen .

Forskningsgruppen rundt Snoek utviklet til sammen fire forskjellige typer ferritter: CuFe-ferritter, MnZn-ferritter, Mg-Zn-ferritter og NiZn-ferritter. De ble markedsført av Philips under handelsnavnet "Ferroxcube" (Fe = jern, okse = oksid, terning = kubisk krystallstruktur). Det første industrielle gjennombruddet kom i 1946 med en applikasjon i telekommunikasjonssektoren. Den litt vanskelige situasjonen etter andre verdenskrig med patentrettigheter for ferritoppfinnelser førte i 1947 til en avtale mellom Philips og American Western Electric i form av en kryssavtale, som var meget vellykket for begge parter.

Den økende etterspørselen etter radio og senere TV-apparater satte fart i utviklingen av myke magnetiske ferritter til stadig nye, applikasjonsspesifikke egenskaper. De første eksemplene er åkringene i avbøyningsenhetene til TV-apparater og transformatorene for strømforsyninger i slått modus. I årene 1960 til 2000 ble det stadig utviklet nye typer ferritt. Materialer med en permeabilitet på opptil 30.000 og for applikasjoner opptil 10 MHz er utviklet. Ny utvikling innen nano-teknologi åpner for nye perspektiver, slik at det ser ut til at myke magnetiske ferritter også vil spille en viktig rolle i fremtiden.

Utviklingen av magnetisk harde ferritter begynte med en uønsket blanding. I 1950, mens de lette etter et nytt halvledermateriale, gjorde en assistent ved Philips fysikklaboratorium en feil mens han forberedte en prøve av sekskantet lantanferrit ved bruk av barium . Under hans undersøkelse ble de gode harde magnetiske egenskapene oppdaget og materialet ble videreutviklet til bariumheksaferitt (BaFe 12 O 19 ). På den ene siden har materialet høy tvangsfeltstyrke, og på den andre siden er det billig. Den ble markedsført under handelsnavnet "Ferroxdure" fra 1952 og fant seg raskt inn i høyttalere som en permanent magnet.

På 1960-tallet utviklet Philips strontiumhexaferrit (SrFe 12 O 19 ) med bedre egenskaper enn bariumhexaferrit. Barium og strontiumhexaferitt dominerer fortsatt markedet i dag på grunn av lave kostnader. Imidlertid er det funnet andre materialer med forbedrede egenskaper. BaFe 2 + 2Fe 3 + 16O 27 kom i 1980 og Ba 2 ZnFe 18 O 23 kom i 1991.

bruksområder

Brettbare ferritter , f.eks. B. for stående bølgefiltre

Søknad for materialer magnetisk ferritt hovedsakelig innen elektroteknikk .

Myke magnetiske ferritter:

Et bredt utvalg av design produseres avhengig av applikasjonen:

Ulike lakkerte ferrit toroidale kjerner (fargene brukes for lettere identifisering)

Toroidale kjerner  (bilde) , stavkjerner, såkalte undertrådskjerner, grytekjerner, E- og U-kjerner (i kombinasjon med lignende eller med I-kjerner). Bokstavidentifikasjonen er basert på formen. De fleste bulkferrittene produseres nå i Asia. Enorme produksjonskapasiteter har blitt bygget opp i Kina i flere år.

Hard magnetiske ferritter:

  • Magnetiserbart belegg på lyd- og videobånd (men ikke keramisk limt her)
  • Kjerneminne i datamaskiner med magnetiske ringer gjenget på kobberledninger (nå foreldet)
  • Permanente magneter av alle slag, f.eks. B. Magnetsegmenter i elektriske motorer begeistret av permanente magneter, i høyttalere
  • Komposittmaterialer (forbindelser) gjort Hartferritpulvern og termisk eller herdeplaster , enten sprøytestøpt , ekstrudert eller kalandrert være. For de fleste sprøytestøpte arbeidsstykker laget av harde ferritforbindelser, påføres et eksternt magnetfelt etter injeksjon i verktøyet for å forbedre de magnetiske egenskapene. Med kalandrerte og noen ganger også med ekstruderte forbindelser, skjer justeringen ideelt mekanisk ved å bruke blodplateformen til de harde ferritkornene. Hard ferritpulver for injeksjonsstøpbare forbindelser, derimot, bør ha korn som er så runde som mulig, siden de fortsatt skal kunne rotere i den veldig tøffe (svært tyktflytende) plastmatrisen når de er justert i det ytre magnetfeltet.

litteratur

  • S. Krupicka: Physics of Ferrites Vieweg Verlag Braunschweig, 1973, ISBN 3-528-08312-3 .
  • J. Smit, HPJ Wijn: Ferrit Philips Technical Library - NV Philips´ Gloeilampenfabrieken, Eindhoven (Nederland), 1962, uten ISBN.
  • W. Kampczyk, E. Roß: Ferritkjerner Siemens Fachbuch Verlag, München 1978, ISBN 3-8009-1254-6 .
  • Richard P. Feynman, Robert B. Leighton, Matthew Sands: Lectures on Physics. 3. utgave, Oldenbourg Verlag, München Wien, 2001, ISBN 3-486-25589-4 .
  • Hans Fischer: Materialer i elektroteknikk. 2. utgave, Carl Hanser Verlag, München Wien, 1982 ISBN 3-446-13553-7

weblenker

Commons : Ferrite  - Samling av bilder, videoer og lydfiler
Wiktionary: Ferrit  - forklaringer på betydninger, ordets opprinnelse, synonymer, oversettelser

Individuelle bevis

  1. ↑ G. Bieser, Ferrites Gjør Furore, Bild der Wissenschaft, 1 september 1997 [1]
  2. ↑ Ekbert Hering, Karl-Heinz Modler (red.): Grunnleggende kunnskap fra ingeniøren . Fachbuchverlag Leipzig, München 2007, ISBN 978-3-446-22814-6 .
  3. ↑ University of Freiburg, Lecture Metals [2]
  4. ↑ Syntese og magnetiske egenskaper av koboltferitt (CoFe2O4) . arxiv : cond-mat / 0606631 .
  5. ↑ a b Soft Ferrites, A User's Guide PDF
  6. ↑ Magnetikk, Lær mer om ferritkerner PDF
  7. ↑ Neosid, del 1, introduksjon, generell PDF  ( siden er ikke lenger tilgjengelig , søk i webarkiver )  Info: Linken ble automatisk merket som defekt. Vennligst sjekk lenken i henhold til instruksjonene, og fjern deretter denne meldingen.@1@ 2Mal: Dead Link / www.neosid.de  
  8. Hil S. Hilpert, genetiske og konstitutive forhold i de magnetiske egenskapene til ferritter og jernoksider. Chem. Ber. 42 (1909) 2248-2261
  9. ↑ a b c T. Stijntjes, B. van Loon, Scanning Our Past From The Netherlands, Early Investigations on Ferrite Magnetic Materials av JL Snoek og kolleger fra Philips Research Laboratories Eindhoven, Proceedings of the IEEE, Vol.96, No.5 , Mai2008 [3]
  10. ↑ L. Jaswal, B. Singh, ferritmaterialer: A Chronological Review Journal of Integrated Science & Technology, 2014, 2 (2), 69-71, [4]
  11. ↑ Marc de Vries, 80 års forskning ved Philips Natuurkundig Laboratorium (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, "Permanent magnetmateriale oppnådd ved sintring av den sekskantede ferritten W = BaFe2Fe16O27", Journal of Applied Physics, vol. 51, s. 5913-5918, 1980
  14. ^ Raul Valenzuela, magnetisk keramikk, s. 76-77, Cambridge University Press, 2005 ISBN 0-521-01843-9 .