Ferrita (ímã) - Ferrite (magnet)

Uma pilha de ímãs de ferrite

Uma ferrita é um material cerâmico feito pela mistura e queima de grandes proporções de óxido de ferro (III) (Fe 2 O 3 , ferrugem ) misturado com pequenas proporções de um ou mais elementos metálicos adicionais , como estrôncio , bário , manganês , níquel e zinco . Eles são ferrimagnéticos , o que significa que podem ser magnetizados ou atraídos por um ímã. Ao contrário de outros materiais ferromagnéticos, a maioria das ferritas não são eletricamente condutivas , o que as torna úteis em aplicações como núcleos magnéticos para transformadores para suprimir correntes parasitas . As ferritas podem ser divididas em duas famílias com base em sua resistência à desmagnetização ( coercividade magnética ).

As ferritas duras têm alta coercividade , por isso são difíceis de desmagnetizar. Eles são usados ​​para fazer ímãs permanentes para aplicações como ímãs de geladeira , alto-falantes e pequenos motores elétricos .

As ferritas moles têm baixa coercividade , portanto, alteram facilmente sua magnetização e agem como condutores de campos magnéticos. Eles são usados ​​na indústria eletrônica para fazer núcleos magnéticos eficientes chamados núcleos de ferrite para indutores de alta frequência , transformadores e antenas , e em vários componentes de microondas .

Os compostos de ferrita são de custo extremamente baixo, sendo feitos principalmente de óxido de ferro, e têm excelente resistência à corrosão. Yogoro Kato e Takeshi Takei, do Instituto de Tecnologia de Tóquio, sintetizaram os primeiros compostos de ferrita em 1930.

Composição, estrutura e propriedades

As ferritas são geralmente compostos cerâmicos ferrimagnéticos derivados de óxidos de ferro . A magnetita (Fe 3 O 4 ) é um exemplo famoso. Como a maioria das outras cerâmicas, as ferritas são duras, quebradiças e más condutoras de eletricidade .

Muitas ferritas adotam a estrutura espinélica com a fórmula AB 2 O 4 , onde A e B representam vários cátions metálicos , geralmente incluindo ferro (Fe). Ferritas de espinélio geralmente adotam um motivo de cristal que consiste em óxidos cúbicos compactados (fcc) (O 2− ) com cátions A ocupando um oitavo dos buracos tetraédricos e cátions B ocupando metade dos buracos octaédricos, ou seja, A2+
B3+
2
O2−
4
.

Os cristais de ferrita não adotam a estrutura espinélica comum, mas sim a estrutura espinélica inversa: um oitavo dos orifícios tetraédricos são ocupados por cátions B, um quarto dos sítios octaédricos são ocupados por cátions A. e o outro quarto pelo cátion B. Também é possível ter ferritas de espinélio de estrutura mista com fórmula [M 2+ 1 − δ Fe 3+ δ ] [M 2+ δ Fe 3+ 2 − δ ] O 4, onde δ é o grau de inversão.

O material magnético conhecido como "ZnFe" tem a fórmula ZnFe 2 O 4 , com Fe 3+ ocupando os sítios octaédricos e o Zn 2+ ocupando os sítios tetraédricos, é um exemplo de ferrita espinélio de estrutura normal.

Algumas ferritas adotam estrutura de cristal hexagonal, como ferritas de bário e estrôncio BaFe 12 O 19 (BaO: 6Fe 2 O 3 ) e SrFe 12 O 19 (SrO: 6Fe 2 O 3 ).

Em termos de suas propriedades magnéticas, as diferentes ferritas são frequentemente classificadas como "moles", "semiduras" ou "duras", o que se refere à sua baixa ou alta coercividade magnética , conforme segue.

Ferrites macias

Vários núcleos de ferrite usados ​​para fazer pequenos transformadores e indutores

Ferritas que são usadas em transformadores ou núcleos eletromagnéticos contêm compostos de níquel , zinco e / ou manganês . Eles têm uma baixa coercividade e são chamados de ferritas moles . A baixa coercividade significa que a magnetização do material pode facilmente reverter a direção sem dissipar muita energia ( perdas por histerese ), enquanto a alta resistividade do material evita correntes parasitas no núcleo, outra fonte de perda de energia. Por causa de suas perdas comparativamente baixas em altas frequências, eles são amplamente usados ​​nos núcleos de transformadores de RF e indutores em aplicações como fontes de alimentação comutadas e antenas loopstick usadas em rádios AM.

As ferritas macias mais comuns são:

  • Ferrita de manganês-zinco ( MnZn , com a fórmula Mn a Zn (1-a) Fe 2 O 4 ). MnZn tem maior permeabilidade e indução de saturação do que NiZn.
  • Ferrita de níquel-zinco ( NiZn , com a fórmula Ni a Zn (1-a) Fe 2 O 4 ). Ferritas NiZn exibem resistividade mais alta do que MnZn e, portanto, são mais adequadas para frequências acima de 1 MHz.

Para aplicações abaixo de 5 MHz, ferritas MnZn são usadas; acima disso, NiZn é a escolha usual. A exceção é com indutores de modo comum , onde o limite de escolha é de 70 MHz.

Ferritas semi-duras

  • A ferrita de cobalto , CoFe 2 O 4 (CoO · Fe 2 O 3 ), está entre o material magnético macio e o rígido e geralmente é classificada como um material semiduro. É usado principalmente para suas aplicações magnetostritivas, como sensores e atuadores, graças à sua magnetostrição de alta saturação (~ 200 ppm). O CoFe 2 O 4 também tem os benefícios de ser livre de terras raras , o que o torna um bom substituto para o Terfenol-D . Além disso, suas propriedades magnetostritivas podem ser ajustadas induzindo uma anisotropia magnética uniaxial. Isso pode ser feito por recozimento magnético, compactação assistida por campo magnético ou reação sob pressão uniaxial. Esta última solução tem a vantagem de ser ultrarrápida (20 min) graças ao uso de sinterização de plasma de centelha . A anisotropia magnética induzida na ferrita de cobalto também é benéfica para aumentar o efeito magnetoelétrico no compósito.

Ferrites duras

Em contraste, os ímãs permanentes de ferrite são feitos de ferritas duras , que apresentam alta coercividade e alta remanência após a magnetização. Óxido de ferro e carbonato de bário ou estrôncio são usados ​​na fabricação de ímãs de ferrite rígida. A alta coercividade significa que os materiais são muito resistentes à desmagnetização, uma característica essencial para um ímã permanente. Eles também têm alta permeabilidade magnética . Os chamados ímãs de cerâmica são baratos e amplamente utilizados em produtos domésticos, como ímãs de geladeira . O campo magnético máximo B é de cerca de 0,35 tesla e a intensidade do campo magnético H é de cerca de 30 a 160 quiloamperes voltas por metro (400 a 2.000 oersteds ). A densidade dos ímãs de ferrite é de cerca de 5 g / cm 3 .

As ferritas duras mais comuns são:

  • Ferrita de estrôncio ,SrFe 12 O 19 (SrO · 6Fe 2 O 3 ), usado em pequenos motores elétricos, dispositivos de micro-ondas, mídia de gravação, mídia magneto-óptica, telecomunicações e indústria eletrônica. A hexaferrita de estrôncio (SrFe 12 O 19 ) é bem conhecida por sua alta coercividade devido à sua anisotropia magnetocristalina. Tem sido amplamente utilizado em aplicações industriais como ímãs permanentes e, como podem ser pulverizados e formados facilmente, estão encontrando suas aplicações em sistemas de micro e nanotipos, como biomarcadores, biodiagnósticos e biossensores.
  • Ferrita de bário , BaFe 12 O 19 (BaO · 6Fe 2 O 3 ), um material comum para aplicações de ímã permanente. As ferritas de bário são cerâmicas robustas, geralmente estáveis ​​à umidade e resistentes à corrosão. Eles são usados, por exemplo, emímãs de alto-falantes e como meio de gravação magnética , por exemplo, em cartões com tarja magnética .

Produção

As ferritas são produzidas pelo aquecimento de uma mistura dos óxidos dos metais constituintes a altas temperaturas, conforme mostrado nesta equação idealizada:

Fe 2 O 3 + ZnO → ZnFe 2 O 4

Em alguns casos, a mistura de precursores em pó fino é pressionada em um molde. Para ferritas de bário e estrôncio, esses metais são normalmente fornecidos como seus carbonatos, BaCO 3 ou SrCO 3 . Durante o processo de aquecimento, esses carbonatos sofrem calcinação :

MCO 3 → MO + CO 2

Após essa etapa, os dois óxidos se combinam para formar a ferrita. A mistura de óxidos resultante sofre sinterização .

Em processamento

Obtida a ferrita, o produto resfriado é moído em partículas menores que 2 µm , suficientemente pequenas para que cada partícula consista em um único domínio magnético . Em seguida, o pó é prensado em uma forma, seco e re-sinterizado. A conformação pode ser realizada em um campo magnético externo, a fim de se obter uma orientação preferencial das partículas ( anisotropia ).

Formas pequenas e geometricamente fáceis podem ser produzidas com prensagem a seco. No entanto, em tal processo, pequenas partículas podem aglomerar e levar a propriedades magnéticas mais pobres em comparação com o processo de prensagem úmida. A calcinação direta e sinterização sem re-moagem também são possíveis, mas levam a propriedades magnéticas fracas.

Os eletroímãs também são pré-sinterizados (pré-reação), fresados ​​e prensados. No entanto, a sinterização ocorre em uma atmosfera específica, por exemplo, uma com falta de oxigênio . A composição química e especialmente a estrutura variam fortemente entre o precursor e o produto sinterizado.

Para permitir o empilhamento eficiente do produto no forno durante a sinterização e evitar que as peças grudem umas nas outras, muitos fabricantes separam os produtos usando placas separadoras de pó cerâmico. Essas folhas estão disponíveis em vários materiais, como alumina, zircônia e magnésia. Eles também estão disponíveis em tamanhos de partículas finas, médias e grossas. Ao combinar o material e o tamanho da partícula com o artigo que está sendo sinterizado, os danos à superfície e a contaminação podem ser reduzidos, maximizando o carregamento do forno.

Usos

Os núcleos de ferrite são usados ​​em indutores eletrônicos , transformadores e eletroímãs, onde a alta resistência elétrica da ferrite leva a perdas de correntes parasitas muito baixas . Eles são comumente vistos como um caroço em um cabo de computador, chamado de pérola de ferrite , que ajuda a evitar que ruídos elétricos de alta frequência ( interferência de radiofrequência ) saiam ou entrem no equipamento.

As primeiras memórias de computador armazenavam dados nos campos magnéticos residuais de núcleos de ferrite rígida, que eram montados em matrizes de memória de núcleo . Os pós de ferrite são usados ​​no revestimento de fitas magnéticas de gravação .

Partículas de ferrita também são usadas como um componente de materiais absorventes de radar ou revestimentos usados ​​em aeronaves furtivas e nas telhas de absorção que revestem as salas usadas para medições de compatibilidade eletromagnética . Os ímãs de áudio mais comuns, incluindo aqueles usados ​​em alto-falantes e captadores de instrumentos eletromagnéticos , são ímãs de ferrite. Exceto por certos produtos "vintage", os ímãs de ferrite substituíram amplamente os ímãs de Alnico mais caros nessas aplicações. Em particular, para hexaferritos rígidos hoje, os usos mais comuns ainda são como ímãs permanentes em juntas de vedação de refrigeradores, microfones e alto-falantes, pequenos motores para aparelhos sem fio e em aplicações automotivas.

Nanopartículas de ferrita exibem propriedades superparamagnéticas .

História

Yogoro Kato e Takeshi Takei, do Instituto de Tecnologia de Tóquio, sintetizaram os primeiros compostos de ferrita em 1930. Isso levou à fundação da TDK Corporation em 1935, para fabricar o material.

A hexaferrita de bário (BaO • 6Fe 2 O 3 ) foi descoberta em 1950 no Philips Natuurkundig Laboratorium ( Philips Physics Laboratory ). A descoberta foi um tanto acidental - devido a um erro de um assistente que deveria estar preparando uma amostra de ferrita de lantânio hexagonal para uma equipe que investigava seu uso como material semicondutor. Ao descobrir que se tratava, na verdade, de um material magnético e confirmar sua estrutura por cristalografia de raios X , eles o repassaram ao grupo de pesquisa magnética. A hexaferrita de bário tem alta coercividade (170 kA / m) e baixo custo de matéria-prima. Foi desenvolvido como um produto pela Philips Industries (Holanda) e a partir de 1952 foi comercializado com o nome comercial Ferroxdure . O preço baixo e o bom desempenho levaram a um rápido aumento no uso de ímãs permanentes.

Na década de 1960, a Philips desenvolveu a hexaferrita de estrôncio (SrO • 6Fe 2 O 3 ), com melhores propriedades do que a hexaferrita de bário. A hexaferrita de bário e estrôncio dominam o mercado devido ao seu baixo custo. Outros materiais foram encontrados com propriedades melhoradas. BaO • 2 (FeO) • 8 (Fe 2 O 3 ) veio em 1980. e Ba 2 ZnFe 18 O 23 veio em 1991.

Veja também

Referências

links externos

Fontes