Una ferrita es un material cerámico que se obtiene mezclando y quemando grandes proporciones de óxido de hierro (III) (Fe 2 O 3 , herrumbre ) mezclado con pequeñas proporciones de uno o más elementos metálicos adicionales , como estroncio , bario , manganeso , níquel y zinc . [1] Son ferrimagnéticos , lo que significa que pueden ser magnetizados o atraídos por un imán. A diferencia de otros materiales ferromagnéticos, la mayoría de las ferritas no son conductoras de electricidad., lo que los hace útiles en aplicaciones como núcleos magnéticos para transformadores para suprimir las corrientes parásitas . [2] Las ferritas se pueden dividir en dos familias en función de su resistencia a la desmagnetización ( coercitividad magnética ).
Las ferritas duras tienen una alta coercitividad , por lo que son difíciles de desmagnetizar. Se utilizan para fabricar imanes permanentes para aplicaciones como imanes de nevera , altavoces y pequeños motores eléctricos .
Las ferritas blandas tienen baja coercitividad , por lo que cambian fácilmente su magnetización y actúan como conductores de campos magnéticos. Se utilizan en la industria electrónica para fabricar núcleos magnéticos eficientes llamados núcleos de ferrita para inductores , transformadores y antenas de alta frecuencia , y en varios componentes de microondas .
Los compuestos de ferrita tienen un costo extremadamente bajo, están hechos principalmente de óxido de hierro y tienen una excelente resistencia a la corrosión. Yogoro Kato y Takeshi Takei del Instituto de Tecnología de Tokio sintetizaron los primeros compuestos de ferrita en 1930. [3]
Composición, estructura y propiedades
Las ferritas suelen ser compuestos cerámicos ferrimagnéticos derivados de óxidos de hierro . [4] La magnetita (Fe 3 O 4 ) es un ejemplo famoso. Como la mayoría de las otras cerámicas, las ferritas son conductoras de electricidad duras, quebradizas y deficientes .
Muchas ferritas adoptan la estructura de espinela con la fórmula AB 2 O 4 , donde A y B representan varios cationes metálicos , generalmente incluido el hierro (Fe). Las ferritas de espinela generalmente adoptan un motivo cristalino que consiste en óxidos cúbicos compactos (fcc) (O 2− ) con cationes A ocupando un octavo de los agujeros tetraédricos y cationes B ocupando la mitad de los agujeros octaédricos, es decir, A2+
B3+
2O2−
4.
Los cristales de ferrita no adoptan la estructura de espinela ordinaria, sino la estructura de espinela inversa: una octava parte de los agujeros tetraédricos están ocupados por cationes B, una cuarta parte de los sitios octaédricos están ocupados por cationes A. y el otro cuarto por catión B. También es posible tener ferritas de espinela de estructura mixta con fórmula [M 2+ 1 − δ Fe 3+ δ ] [M 2+ δ Fe 3+ 2 − δ ] O 4 donde δ es el grado de inversión.
El material magnético conocido como "ZnFe" tiene la fórmula ZnFe 2 O 4 , con Fe 3+ ocupando los sitios octaédricos y Zn 2+ ocupando los sitios tetraédricos, es un ejemplo de ferrita espinela de estructura normal. [5] [ página necesaria ]
Algunas ferritas adoptan una estructura cristalina hexagonal, como las ferritas de bario y estroncio BaFe 12 O 19 (BaO: 6Fe 2 O 3 ) y SrFe 12 O 19 (SrO: 6Fe 2 O 3 ). [6]
En términos de sus propiedades magnéticas, las diferentes ferritas a menudo se clasifican como "blandas", "semiduras" o "duras", lo que se refiere a su coercitividad magnética baja o alta , como sigue.
Ferritas blandas
Las ferritas que se utilizan en transformadores o núcleos electromagnéticos contienen compuestos de níquel , zinc y / o manganeso [7] . Tienen una coercitividad baja y se denominan ferritas blandas . La baja coercitividad significa que la magnetización del material puede invertir fácilmente la dirección sin disipar mucha energía ( pérdidas por histéresis ), mientras que la alta resistividad del material evita las corrientes parásitas en el núcleo, otra fuente de pérdida de energía. Debido a sus pérdidas comparativamente bajas a altas frecuencias, se utilizan ampliamente en los núcleos de inductores y transformadores de RF en aplicaciones tales como fuentes de alimentación de modo conmutado y antenas de bucle utilizadas en radios AM.
Las ferritas blandas más comunes son: [6]
- Ferrita de manganeso-zinc ( MnZn , con la fórmula Mn a Zn (1-a) Fe 2 O 4 ). MnZn tiene mayor permeabilidad e inducción de saturación que NiZn.
- Ferrita de níquel-zinc ( NiZn , con la fórmula Ni a Zn (1-a) Fe 2 O 4 ). Las ferritas de NiZn exhiben una resistividad más alta que MnZn y, por lo tanto, son más adecuadas para frecuencias superiores a 1 MHz.
Para aplicaciones por debajo de 5 MHz, se utilizan ferritas MnZn; por encima de eso, NiZn es la opción habitual. La excepción es con los inductores de modo común , donde el umbral de elección es de 70 MHz. [8]
Ferritas semiduras
- La ferrita de cobalto , CoFe 2 O 4 (CoO · Fe 2 O 3 ), se encuentra entre un material magnético blando y duro y generalmente se clasifica como un material semiduro. [9] Se utiliza principalmente para sus aplicaciones magnetoestrictivas como sensores y actuadores [10] gracias a su magnetoestricción de alta saturación (~ 200 ppm). CoFe 2 O 4 también tiene los beneficios de estar libre de tierras raras , lo que lo convierte en un buen sustituto del Terfenol-D . [11] Además, sus propiedades magnetoestrictivas pueden ajustarse induciendo una anisotropía uniaxial magnética. [12] Esto se puede hacer mediante recocido magnético, [13] compactación asistida por campo magnético, [14] o reacción bajo presión uniaxial. [15] Esta última solución tiene la ventaja de ser ultrarrápida (20 min) gracias al uso de sinterización por plasma de chispa . La anisotropía magnética inducida en la ferrita de cobalto también es beneficiosa para mejorar el efecto magnetoeléctrico en el material compuesto. [dieciséis]
Ferritas duras
Por el contrario, los imanes de ferrita permanentes están hechos de ferritas duras , que tienen una alta coercitividad y una alta remanencia después de la magnetización. El óxido de hierro y el carbonato de bario o estroncio se utilizan en la fabricación de imanes de ferrita dura. [17] [18] La alta coercitividad significa que los materiales son muy resistentes a la desmagnetización, una característica esencial de un imán permanente. También tienen una alta permeabilidad magnética . Estos llamados imanes de cerámica son baratos y se utilizan ampliamente en productos domésticos como los imanes de nevera . El campo magnético máximo B es de aproximadamente 0,35 tesla y la intensidad del campo magnético H es de aproximadamente 30 a 160 kiloamperios vueltas por metro (400 a 2000 oersteds ). [19] La densidad de los imanes de ferrita es de unos 5 g / cm 3 .
Las ferritas duras más comunes son:
- Ferrita de estroncio ,SrFe 12 O 19 (SrO · 6Fe 2 O 3 ), utilizado en pequeños motores eléctricos, dispositivos de microondas, medios de grabación, medios magneto-ópticos, telecomunicaciones e industria electrónica. [6] La hexaferrita de estroncio (SrFe 12 O 19 ) es bien conocida por su alta coercitividad debido a su anisotropía magnetocristalina. Se ha utilizado ampliamente en aplicaciones industriales como imanes permanentes y, debido a que se pueden pulverizar y formar fácilmente, están encontrando sus aplicaciones en sistemas de micro y nano-tipos como biomarcadores, biodiagnósticos y biosensores. [20]
- Ferrita de bario , BaFe 12 O 19 (BaO · 6Fe 2 O 3 ), un material común para aplicaciones de imanes permanentes. Las ferritas de bario son cerámicas robustas que generalmente son estables a la humedad y resistentes a la corrosión. Se utilizan, por ejemplo, enimanes de altavoces y como medio para grabación magnética , por ejemplo, en tarjetas de banda magnética .
Producción
Las ferritas se producen calentando una mezcla de óxidos de los metales constituyentes a altas temperaturas, como se muestra en esta ecuación idealizada: [21]
- Fe 2 O 3 + ZnO → ZnFe 2 O 4
En algunos casos, la mezcla de precursores finamente pulverizados se prensa en un molde. Para las ferritas de bario y estroncio, estos metales se suministran típicamente como sus carbonatos, BaCO 3 o SrCO 3 . Durante el proceso de calentamiento, estos carbonatos se calcinan :
- MCO 3 → MO + CO 2
Después de este paso, los dos óxidos se combinan para dar la ferrita. La mezcla de óxidos resultante se sinteriza .
Procesando
Una vez obtenida la ferrita, el producto enfriado se muele en partículas menores de 2 µm , suficientemente pequeñas para que cada partícula consista en un solo dominio magnético . A continuación, el polvo se prensa en forma, se seca y se vuelve a sinterizar. La conformación se puede realizar en un campo magnético externo, con el fin de lograr una orientación preferida de las partículas ( anisotropía ).
Se pueden producir formas pequeñas y geométricamente fáciles con prensado en seco. Sin embargo, en un proceso de este tipo, las partículas pequeñas pueden aglomerarse y dar lugar a peores propiedades magnéticas en comparación con el proceso de prensado en húmedo. También es posible la calcinación y sinterización directa sin volver a moler, pero conduce a propiedades magnéticas deficientes.
Los electroimanes también se sinterizan previamente (reacción previa), se muelen y se prensan. Sin embargo, la sinterización tiene lugar en una atmósfera específica, por ejemplo, una con escasez de oxígeno . La composición química y especialmente la estructura varían mucho entre el precursor y el producto sinterizado.
Para permitir un apilado eficiente del producto en el horno durante la sinterización y evitar que las piezas se peguen, muchos fabricantes separan los artículos utilizando láminas separadoras de polvo cerámico. Estas láminas están disponibles en varios materiales como alúmina, zirconia y magnesia. También están disponibles en tamaños de partículas finas, medianas y gruesas. Al hacer coincidir el material y el tamaño de partícula con el material que se sinteriza, se pueden reducir el daño y la contaminación de la superficie al tiempo que se maximiza la carga del horno.
Usos
Los núcleos de ferrita se utilizan en inductores electrónicos , transformadores y electroimanes donde la alta resistencia eléctrica de la ferrita conduce a pérdidas por corrientes parásitas muy bajas . Se ven comúnmente como un bulto en un cable de computadora, llamado perla de ferrita , que ayuda a evitar que el ruido eléctrico de alta frecuencia ( interferencia de radiofrecuencia ) salga o ingrese al equipo.
Las primeras memorias de computadora almacenaban datos en los campos magnéticos residuales de núcleos de ferrita duros, que se ensamblaban en matrices de memoria de núcleo . Los polvos de ferrita se utilizan en los revestimientos de cintas magnéticas de grabación .
Las partículas de ferrita también se utilizan como un componente de materiales o revestimientos absorbentes de radar utilizados en aviones furtivos y en las baldosas de absorción que recubren las habitaciones utilizadas para las mediciones de compatibilidad electromagnética . Los imanes de audio más comunes, incluidos los que se utilizan en altavoces y pastillas de instrumentos electromagnéticos , son imanes de ferrita. A excepción de ciertos productos "antiguos", los imanes de ferrita han desplazado en gran medida a los imanes Alnico más costosos en estas aplicaciones. En particular, para las hexaferritas duras en la actualidad, los usos más comunes siguen siendo como imanes permanentes en las juntas de sellado de los refrigeradores, micrófonos y altavoces, motores pequeños para electrodomésticos inalámbricos y aplicaciones de automóviles. [22]
Las nanopartículas de ferrita exhiben propiedades superparamagnéticas .
Historia
Yogoro Kato y Takeshi Takei del Instituto de Tecnología de Tokio sintetizaron los primeros compuestos de ferrita en 1930. Esto llevó a la fundación de TDK Corporation en 1935, para fabricar el material.
La hexaferrita de bario (BaO • 6Fe 2 O 3 ) fue descubierta en 1950 en el Laboratorio Philips Natuurkundig ( Laboratorio de Física Philips ). El descubrimiento fue algo accidental, debido a un error de un asistente que se suponía que estaba preparando una muestra de ferrita de lantano hexagonal para un equipo que investigaba su uso como material semiconductor. Al descubrir que en realidad se trataba de un material magnético y confirmar su estructura mediante cristalografía de rayos X , lo pasaron al grupo de investigación magnética. [23] La hexaferrita de bario tiene alta coercitividad (170 kA / m) y bajos costos de materia prima. Fue desarrollado como producto por Philips Industries (Holanda) y desde 1952 se comercializó con el nombre comercial Ferroxdure . [24] El bajo precio y el buen rendimiento llevaron a un rápido aumento en el uso de imanes permanentes. [25]
En la década de 1960, Philips desarrolló hexaferrita de estroncio (SrO • 6Fe 2 O 3 ), con mejores propiedades que la hexaferrita de bario. La hexaferrita de bario y estroncio dominan el mercado debido a sus bajos costos. Se han encontrado otros materiales con propiedades mejoradas. BaO • 2 (FeO) • 8 (Fe 2 O 3 ) llegó en 1980. [26] y Ba 2 ZnFe 18 O 23 llegó en 1991. [27]
Ver también
- Propiedades del material ferromagnético
- Ferrita de cobalto
Referencias
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enlaces externos
- Asociación Internacional de Magnetismo
- ¿Cuáles son las protuberancias al final de los cables de la computadora?
Fuentes
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