Ferrita (imán)
Material cerámico ferrimagnético compuesto de óxido de hierro (III) y un elemento metálico divalente
Una pila de imanes de ferrita, con artículos domésticos magnéticos adheridos a ella.

Una ferrita es un material cerámico magnético que contiene óxido de hierro . Son ferromagnéticos , 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 para transformadores para suprimir corrientes parásitas . [1]

Las ferritas se pueden dividir en dos grupos en función de su coercitividad magnética , su resistencia a ser desmagnetizadas: [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 refrigerador , altavoces y pequeños motores eléctricos .
Las ferritas "blandas" tienen una 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 de alta frecuencia , transformadores y antenas , y en varios componentes de microondas .

Los compuestos de ferrita tienen un coste extremadamente bajo, ya que 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 son generalmente compuestos cerámicos ferromagnéticos 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, frágiles y malos conductores de electricidad .

Por lo general, están compuestos de óxido de hierro α (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 compuesta de Fe(II)-Fe(III) 2 O 4 . [5] Por encima de 585 °C, 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 que se encuentran en la naturaleza (normalmente miembros del grupo de la espinela ) incluyen aquellas con níquel (NiFe2O4 ) que se encuentra en forma de trevorita , magnesioferrita que contiene magnesio ( MgFe2O4 ) , [ 7] [8] cobalto ( ferrita de cobalto ), [9] o manganeso (MnFe2O4 ) que se encuentra en forma natural en forma de jacobsita . Con menor frecuencia se utilizan ferritas de bismuto , [10] estroncio , zinc como el que se encuentra en la franklinita , [11] aluminio , itrio o 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 es generalmente hierro (Fe). Las ferritas de espinela suelen adoptar un motivo cristalino que consiste en óxidos cúbicos compactos (fcc) ( O 2− ) con los cationes A ocupando un octavo de los agujeros tetraédricos y los cationes B ocupando la mitad de los agujeros octaédricos, es decir, A2+
B3+
2Oh2−
4Existe 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 agujeros tetraédricos están ocupados por cationes B , una cuarta parte de los sitios octaédricos están ocupados por cationes A y la otra cuarta parte por el catión B. También es posible tener ferritas de espinela de estructura mixta con fórmula [ M2+
(1− δ ) Fé3+
delta ] [ M2+
delta Fé3+
(2− δ ) ] Oh
4, donde δ es el grado de inversión. [ ejemplo necesario ] [ aclaración necesaria ]

El material magnético conocido como "Zn Fe" tiene la fórmula Zn Fe
2Oh
4, con Fe3+
ocupando los sitios octaédricos y Zn2+
Ocupando los sitios tetraédricos, es un ejemplo de ferrita 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( SrO  : 6Fe
2Oh
3 ). [19]

En términos de sus propiedades magnéticas, las diferentes ferritas a menudo se clasifican como "blandas", "semiduras" o "duras", lo que hace referencia a su baja o alta coercitividad magnética , de la siguiente manera.

Ferritas blandas

Varios núcleos de ferrita utilizados para fabricar pequeños transformadores e inductores.
Una antena de bucle AM ​​de ferrita en una radio portátil, que consta de un cable enrollado alrededor de un núcleo de ferrita.
Una variedad de pequeños inductores y transformadores con núcleo de ferrita

Las ferritas que se utilizan en núcleos de transformadores o 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 atraídas 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 las corrientes parásitas en el núcleo, otra fuente de pérdida de energía. Debido a sus pérdidas de 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]

Ferrita de manganeso y zinc
"Mn Zn", con la fórmula Mn
del Zinc
(1− δ ) Fé
2Oh
4. Mn Zn tiene mayor permeabilidad e inducción de saturación que Ni Zn.
Ferrita de níquel-zinc
"Ni Zn", con la fórmula Ni
del Zinc
(1− δ ) Fé
2Oh
4Las ferritas de Ni Zn presentan una resistividad mayor que las de Mn Zn y, por lo tanto, son más adecuadas para frecuencias superiores a 1 MHz. [21]

Para frecuencias superiores a 0,5 MHz pero inferiores a 5 MHz, se utilizan ferritas de MnZn; por encima de eso, la opción habitual es NiZn. La excepción son los inductores de modo común , donde el umbral de elección está a 70 MHz. [22]

Ferritas semiduras

Ferrita de cobalto
Co Fé
2Oh
4 Co2O · Fe
2Oh
3, se encuentra entre el material magnético blando y duro y generalmente se clasifica como un material semiduro. [23] Se utiliza principalmente para sus aplicaciones magnetoestrictivas como sensores y actuadores [24] gracias a su alta magnetostricción de saturación (~200 ppm). Co Fe
2Oh
4También tiene la ventaja de no contener tierras raras , lo que lo convierte en un buen sustituto del terfenol-D . [25]

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 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 los compuestos. [30]

Ferritas duras

Un pequeño motor eléctrico de imán permanente desmontado, que muestra los dos imanes de ferrita en forma de medialuna en el conjunto del estator (abajo a la izquierda)

Por el contrario, los imanes de ferrita permanentes están hechos de ferritas duras , que tienen una alta coercitividad y alta remanencia después de la magnetización. El óxido de hierro y el carbonato de bario o el carbonato de estroncio se utilizan en la fabricación de imanes de ferrita dura. [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 imanes de refrigerador . El campo magnético máximo B es de aproximadamente 0,35  tesla y la intensidad del campo magnético H es de aproximadamente 30-160 kiloamperios vueltas por metro (400-2000  oersteds ). [33] La densidad de los imanes de ferrita es de aproximadamente 5 g/cm 3 .

Las ferritas duras más comunes son:

Ferrita de estroncio
Sr. Fe
12Oh
19( SrO · 6Fe
2Oh
3 ), utilizado en pequeños motores eléctricos, dispositivos de microondas, medios de grabación, medios magneto-ópticos, telecomunicaciones e industria electrónica. [19] Hexaferrita de estroncio ( Sr Fe
12Oh
19) es bien conocido 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 moldear fácilmente, están encontrando sus aplicaciones en sistemas de tipo micro y nano, como biomarcadores, biodiagnósticos y biosensores. [34]
Ferrita de bario
Ba Fé
12Oh
19( BaO · 6Fe
2Oh
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, en imanes 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: [35]

Fe2O3 + ZnO → ZnFe2O4​​​

En algunos casos, la mezcla de precursores finamente pulverizados se prensa en un molde. En el caso de las ferritas de bario y estroncio, estos metales se suministran normalmente como carbonatos, BaCO 3 o SrCO 3 . Durante el proceso de calentamiento, estos carbonatos se someten a calcinación :

MCO3 → MO + CO2

Después de este paso, los dos óxidos se combinan para formar la ferrita. La mezcla de óxidos resultante se somete a sinterización .

Tratamiento

Una vez obtenida la ferrita, el producto enfriado se muele hasta obtener partículas de tamaño inferior a 2 μm , lo suficientemente pequeñas como para que cada partícula esté formada por un único dominio magnético . A continuación, el polvo se prensa hasta darle una forma, se seca y se vuelve a sinterizar. La conformación puede realizarse en un campo magnético externo, con el fin de lograr una orientación preferida de las partículas ( anisotropía ).

Mediante el prensado en seco se pueden obtener formas pequeñas y geométricamente sencillas, pero en este proceso las partículas pequeñas pueden aglomerarse y dar lugar a propiedades magnéticas inferiores a las del prensado en húmedo. También es posible la calcinación y sinterización directas sin volver a moler, pero da lugar a propiedades magnéticas inferiores.

Los electroimanes también se sinterizan previamente (prerreacción), se muelen y se prensan. Sin embargo, la sinterización se lleva a cabo en una atmósfera específica, por ejemplo, en una atmósfera con escasez de oxígeno . La composición química y, sobre todo, la estructura varían considerablemente 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 adhieran entre sí, muchos fabricantes separan los productos utilizando láminas separadoras de polvo cerámico. Estas láminas están disponibles en diversos materiales, como alúmina, circonio y magnesia. También están disponibles en tamaños de partículas finas, medianas y gruesas. Al adaptar el material y el tamaño de las partículas al producto que se va a sinterizar, se pueden reducir los daños y la contaminación de la superficie y, al mismo tiempo, maximizar 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 produce 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 ingrese al equipo; estos tipos de ferritas están hechas con materiales con pérdida no solo para bloquear (reflejar), sino también absorber y disipar como calor, la energía de frecuencia más alta no deseada.

Las primeras memorias de ordenador almacenaban datos en los campos magnéticos residuales de núcleos de ferrita duros, que se ensamblaban en conjuntos de memorias de núcleo . Los polvos de ferrita se utilizan en los revestimientos de las cintas de grabación magnética .

Las partículas de ferrita también se utilizan como componente de materiales absorbentes de radar o revestimientos 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 captadores de instrumentos electromagnéticos , son imanes de ferrita. A excepción de ciertos productos "clásicos", los imanes de ferrita han desplazado en gran medida a los imanes Alnico más caros en estas aplicaciones. En particular, para las hexaferritas duras hoy en día los usos más comunes 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]

Los imanes de ferrita encuentran aplicaciones en sistemas de dirección asistida eléctrica y sensores automotrices debido a su relación costo-beneficio y resistencia a la corrosión . [37] Los imanes de ferrita son conocidos por su alta permeabilidad magnética y baja conductividad eléctrica , lo que los hace adecuados para aplicaciones de alta frecuencia. [38] En los sistemas de dirección asistida eléctrica, proporcionan el campo magnético necesario para el funcionamiento eficiente del motor, lo que contribuye al rendimiento y la confiabilidad generales del sistema. [39] Los sensores automotrices utilizan imanes de ferrita para la detección y medición precisa de varios parámetros, como la posición, la velocidad y los niveles de fluido. [40]

Debido a que los campos magnéticos de los imanes de ferrita de cerámica son más débiles en comparación con los imanes superconductores , a veces se utilizan en sistemas de resonancia magnética de campo bajo o abiertos. [41] [42] Estos imanes son los preferidos en ciertos casos debido a su menor costo, campo magnético estable y capacidad de funcionar sin la necesidad de sistemas de enfriamiento complejos. [43]

Las nanopartículas de ferrita exhiben propiedades superparamagnéticas .

Historia

Yogoro Kato y Takeshi Takei, del Instituto Tecnológico de Tokio, sintetizaron los primeros compuestos de ferrita en 1930. Esto condujo a la fundación de TDK Corporation en 1935 para fabricar el material.

La hexaferrita de bario (BaO•6Fe2O3 ) fue descubierta en 1950 en el Philips Natuurkundig Laboratorium ( Laboratorio de Física de 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 era un material magnético y confirmar su estructura mediante cristalografía de rayos X , se la pasaron al grupo de investigación magnética. [44] La hexaferrita de bario tiene una alta coercitividad (170 kA/m) y bajos costos de materia prima. Fue desarrollada como producto por Philips Industries (Países Bajos) y a partir de 1952 se comercializó con el nombre comercial Ferroxdure . [45] El bajo precio y el buen rendimiento llevaron a un rápido aumento en el uso de imanes permanentes. [46]

En la década de 1960 , Philips desarrolló la hexaferrita de estroncio (SrO•6Fe2O3 ) , con mejores propiedades que la hexaferrita de bario. La hexaferrita de bario y estroncio domina el mercado debido a sus bajos costos. Se han encontrado otros materiales con propiedades mejoradas. BaO•2(FeO)•8( Fe2O3 ) apareció en 1980. [ 47 ] y Ba2ZnFe18O23 apareció en 1991. [ 48]

Véase también

Referencias

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Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Ferrita (imán) .
  • Asociación Internacional de Magnetismo
  • ¿Qué son las protuberancias en los extremos de los cables de la computadora?

Fuentes

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  • Schaller, George E. Procesamiento de ferrita y efectos sobre el rendimiento del material Archivado el 2 de octubre de 2013 en Wayback Machine
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