Una ferrita es un material cerámico magnético que contiene óxido de hierro . Son ferrimagnéticos , lo que significa que son atraídos por campos magnéticos y pueden magnetizarse para convertirse en imanes permanentes . A diferencia de muchos materiales ferromagnéticos , la mayoría de las ferritas no son conductoras de electricidad , lo que las hace útiles en aplicaciones como núcleos magnéticos de transformadores para suprimir corrientes parásitas . [1]
Las ferritas se pueden dividir en dos familias según su coercitividad magnética y su resistencia a la desmagnetización: [2]
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 refrigeradores , altavoces y pequeños motores eléctricos .
Las ferritas "blandas" tienen una baja coercitividad, por lo que cambian fácilmente su magnetización y actúan como conductoras 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 diversos componentes de microondas .
Los compuestos de ferrita son de 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]
Las ferritas suelen ser compuestos cerámicos ferrimagnéticos derivados de óxidos de hierro , con una estructura cristalina cúbica o hexagonal centrada en el cuerpo . [4] Como la mayoría de las otras cerámicas , las ferritas son duras, quebradizas y malos conductores de la electricidad .
Por lo general, están compuestos de óxido de hierro (III) (por ejemplo, hematita Fe 2 O 3 ) con uno o más óxidos de elementos metálicos adicionales , generalmente con una fórmula aproximadamente estequiométrica de M O · Fe 2 O 3 como Fe (II). ) como en el mineral común magnetita compuesto de Fe(II)-Fe(III) 2 O 4 . [5] Por encima de 585 °C, el Fe(II)-Fe(III) 2 O 4 se transforma en la fase gamma no magnética. [6] Fe(II)-Fe(III) 2 O 4 se ve comúnmente como el óxido de hierro (II) negro que recubre la superficie de los utensilios de cocina de hierro fundido). El otro patrón es M ·Fe(III) 2 O 3 , donde M es otro elemento metálico. Las ferritas comunes de origen natural (típicamente miembros del grupo de la espinela ) incluyen aquellas con níquel (NiFe 2 O 4 ), que se presenta como el mineral trevorita , magnesio que contiene magnesioferrita (MgFe 2 O 4 ), [7] [8] cobalto ( ferrita de cobalto ). ), [9] o manganeso (MnFe 2 O 4 ), que se encuentra naturalmente como el mineral jacobsita . Con menos frecuencia se utilizan bismuto , [10] estroncio , zinc como se encuentra en la franklinita , [11] aluminio , itrio o ferritas de bario [12] [13] Además, a menudo se utilizan aleaciones sintéticas más complejas para aplicaciones específicas. [14] [15]
Muchas ferritas adoptan la estructura química de espinela con la fórmula A B
2oh
4, donde A y B representan varios cationes metálicos , uno de los cuales suele ser hierro (Fe). Las ferritas de espinela generalmente adoptan un motivo cristalino que consiste en óxidos cúbicos (fcc) ( O 2− ) compactos con cationes A que ocupan un octavo de los agujeros tetraédricos y cationes B que ocupan la mitad de los agujeros octaédricos, es decir, A.2+
B3+
2oh2-4
. Existe una excepción para el ɣ-Fe 2 O 3 que tiene una forma cristalina de espinela y se utiliza ampliamente como sustrato de grabación magnética. [16] [17]
Sin embargo, la estructura no es una estructura de espinela ordinaria , sino más bien la estructura de espinela inversa: una octava parte de los huecos tetraédricos están ocupadas por cationes B , una cuarta parte de los sitios octaédricos están ocupadas por cationes A. y la otra cuarta parte por catión B. También es posible tener ferritas de espinela de estructura mixta con fórmula [ M2+
(1- δ ) fe3+
δ ] [ M2+
δ fe3+
(2- δ ) ] Oh
4, donde δ es el grado de inversión. [ se necesita ejemplo ] [ se necesita aclaración ]
El material magnético conocido como “Zn Fe” tiene la fórmula Zn Fe
2oh
4, con Fe3+
ocupando los sitios octaédricos y Zn2+
Al ocupar los sitios tetraédricos, es un ejemplo de ferrita de espinela de estructura normal. [18] [ página necesaria ]
Algunas ferritas adoptan una estructura cristalina hexagonal, como las ferritas de bario y estroncio BaFe.
12oh
19( BaO : 6 Fe
2oh
3 ) y SrFe
12oh
19( Sr O : 6 Fe
2oh
3 ). [19]
En cuanto a sus propiedades magnéticas, las diferentes ferritas suelen clasificarse como "blandas", "semiduras" o "duras", lo que hace referencia a su baja o alta coercitividad magnética , de la siguiente manera.
Las ferritas que se utilizan en transformadores o núcleos electromagnéticos contienen compuestos de níquel , zinc y/o manganeso [20] . Las ferritas blandas no son adecuadas para fabricar imanes permanentes. Tienen una alta permeabilidad magnética por lo que conducen campos magnéticos y son atraídos por los imanes, pero cuando se elimina el campo magnético externo, la magnetización remanente no tiende a persistir. Esto se debe a su baja coercitividad . La baja coercitividad también 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 corrientes parásitas en el núcleo, otra fuente de pérdida de energía. Debido a sus pérdidas en el núcleo comparativamente bajas a altas frecuencias, se utilizan ampliamente en los núcleos de transformadores e inductores de RF en aplicaciones como fuentes de alimentación de modo conmutado y antenas de bucle utilizadas en radios AM.
Las ferritas blandas más comunes son: [19]
Para uso con frecuencias superiores a 0,5 MHz pero inferiores a 5 MHz, se utilizan ferritas de Mn Zn; por encima de eso, Ni Zn es la opción habitual. La excepción son los inductores de modo común , donde el umbral de elección está en 70 MHz. [22]
Además, las propiedades magnetoestrictivas de la ferrita de cobalto se pueden ajustar induciendo una anisotropía uniaxial magnética. [26] Esto se puede hacer mediante recocido magnético, [27] compactación asistida por campo magnético, [28] o reacción bajo presión uniaxial. [29] Esta última solución tiene la ventaja de ser ultra rápida (20 min) gracias al uso de sinterización por plasma por chispa . La anisotropía magnética inducida en la ferrita de cobalto también es beneficiosa para mejorar el efecto magnetoeléctrico en el compuesto. [30]
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. En la fabricación de imanes de ferrita dura se utilizan óxido de hierro y carbonato de bario o carbonato de estroncio . [31] [32] La alta coercitividad significa que los materiales son muy resistentes a la desmagnetización, una característica esencial para un imán permanente. También tienen una alta permeabilidad magnética . Estos llamados imanes cerámicos 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 de vuelta por metro (400 a 2000 oersteds ). [33] La densidad de los imanes de ferrita es de aproximadamente 5 g/cm 3 .
Las ferritas duras más comunes son:
Las ferritas se producen calentando una mezcla de óxidos de los metales constituyentes a altas temperaturas, como se muestra en esta ecuación idealizada: [35]
En algunos casos, la mezcla de precursores finamente pulverizados se prensa en un molde. Para las ferritas de bario y estroncio, estos metales normalmente se suministran como sus carbonatos, BaCO 3 o SrCO 3 . Durante el proceso de calentamiento, estos carbonatos sufren una calcinación :
Después de este paso, los dos óxidos se combinan para dar la ferrita. La mezcla resultante de óxidos se sinteriza .
Una vez obtenida la ferrita, el producto enfriado se muele hasta obtener partículas de menos de 2 μm , lo suficientemente pequeñas como para que cada partícula esté formada por un único dominio magnético . A continuación, el polvo se prensa para darle forma, se seca y se vuelve a sinterizar. La conformación se puede realizar en un campo magnético externo para lograr una orientación preferida de las partículas ( anisotropía ).
Mediante prensado en seco se pueden obtener formas pequeñas y geométricamente sencillas. Sin embargo, en un proceso de este tipo, las partículas pequeñas pueden aglomerarse y dar lugar a propiedades magnéticas más pobres en comparación con el proceso de prensado en húmedo. También es posible la calcinación directa y la sinterización sin volver a moler, pero conducen a propiedades magnéticas deficientes.
Los electroimanes también están presinterizados (prerreacción), fresados y prensados. Sin embargo, la sinterización se realiza en una atmósfera específica, por ejemplo con escasez de oxígeno . La composición química y especialmente la estructura varían mucho entre el precursor y el producto sinterizado.
Para permitir un apilamiento eficiente del producto en el horno durante la sinterización y evitar que las piezas se peguen, muchos fabricantes separan los productos utilizando láminas separadoras de polvo cerámico. Estas láminas están disponibles en diversos materiales como alúmina, circonita y magnesia. También están disponibles en tamaños de partículas finas, medianas y gruesas. Al hacer coincidir el material y el tamaño de las partículas con los artículos que se sinterizan, se pueden reducir los daños superficiales y la contaminación y, al mismo tiempo, maximizar la carga del horno.
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 .
Las ferritas también se encuentran 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 entre en el equipo; Estos tipos de ferritas están fabricados con materiales con pérdidas no solo para bloquear (reflejar), sino también para absorber y disipar en forma de calor, la energía no deseada de alta frecuencia.
Las primeras memorias de computadora almacenaban datos en los campos magnéticos residuales de núcleos de ferrita dura, que se ensamblaban en matrices de memoria central . Los polvos de ferrita se utilizan en los revestimientos de cintas de grabación magnética .
Las partículas de ferrita también se utilizan como componente de materiales o revestimientos absorbentes de radar utilizados en aviones furtivos y en las baldosas de absorción que recubren las salas utilizadas para mediciones de compatibilidad electromagnética . Los imanes de audio más comunes, incluidos los utilizados 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 de Alnico, más caros, en estas aplicaciones. En particular, los usos más comunes de las hexaferritas duras hoy en día siguen siendo como imanes permanentes en juntas de sellado de refrigeradores, micrófonos y altavoces, pequeños motores para electrodomésticos inalámbricos y en aplicaciones de automóviles. [36]
Las nanopartículas de ferrita exhiben propiedades superparamagnéticas .
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 Philips Natuurkundig Laboratorium ( Laboratorio de Física Philips ). El descubrimiento fue algo accidental: se debió a un error cometido por un asistente que se suponía 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 , se lo transmitieron al grupo de investigación magnética. [37] La hexaferrita de bario tiene una alta coercitividad (170 kA/m) y bajos costos de materia prima. Fue desarrollado como producto por Philips Industries (Países Bajos) y a partir de 1952 se comercializó con el nombre comercial Ferroxdure . [38] El bajo precio y el buen rendimiento llevaron a un rápido aumento en el uso de imanes permanentes. [39]
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 domina el mercado debido a sus bajos costes. Se han encontrado otros materiales con propiedades mejoradas. BaO•2(FeO)•8(Fe 2 O 3 ) llegó en 1980. [40] y Ba 2 ZnFe 18 O 23 llegó en 1991. [41]
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