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Ferrita (imán)

Una pila de imanes de ferrita, con objetos domésticos magnéticos adheridos a ella. Una ferrita pertenece a una familia de materiales cerámicos magnéticos que contienen óxido de ...

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Una pila de imanes de ferrita, con objetos domésticos magnéticos adheridos a ella.

Una ferrita pertenece a una familia de materiales cerámicos magnéticos que contienen 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 para transformadores para suprimir corrientes parásitas . [ 1 ]

Las ferritas se pueden dividir en dos grupos según su coercitividad magnética , 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 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 son extremadamente económicos, ya que están compuestos principalmente de óxido de hierro, y poseen una excelente resistencia a la corrosión. Yogoro Kato y Takeshi Takei, del Instituto Tecnológico de Tokio, sintetizaron los primeros compuestos de ferrita en 1930. [ 3 ]

Composición, estructura y propiedades

Las ferritas son generalmente compuestos cerámicos ferrimagnéticos derivados de óxidos de hierro , con una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo o hexagonal . [ 4 ] Al igual que la mayoría de las demás cerámicas , las ferritas son duras, frágiles y malos conductores de electricidad .

Están compuestos típicamente de óxido de hierro(III) α (por ejemplo, hematita Fe₂O₃ ) con uno o más óxidos de elementos metálicos adicionales, generalmente con una fórmula aproximadamente estequiométrica de M₂O · Fe₂O₃ como Fe ( II) como en el mineral común magnetita compuesto de Fe(II)-Fe(III) ₂O₄ . [ 5 ] Por encima de 585 ° C, Fe ( II)-Fe(III) ₂O₄ se transforma en la fase gamma no magnética. [ 6 ] Fe ( II)-Fe(III) ₂O₄ 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) ₂O₃ , donde M es otro elemento metálico. Las ferritas comunes que se encuentran en la naturaleza (típicamente miembros del grupo de la espinela ) incluyen aquellas con níquel (NiFe₂O₄ ) , que se presenta como el mineral trevorita ; magnesioferrita que contiene magnesio (MgFe₂O₄ ) , [ 7 ] [ 8 ] cobalto ( ferrita de cobalto ), [ 9 ] o manganeso (MnFe₂O₄ ) , que se presenta naturalmente como el mineral jacobsita . Con menos frecuencia se utilizan ferritas de bismuto , [ 10 ] estroncio , zinc, como 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 AB2 O4 , dondeAyBrepresentan varioscationes, uno de los cuales suele ser hierro (Fe). Las ferritas de espinela suelen adoptar un motivo cristalino que consiste en óxidos cúbicos compactos (fcc) (O2−) conAocupando un octavo de los huecos tetraédricos yBocupando la mitad de los huecos octaédricos, es decir,A 2+B 3+ 2 O 2− 4 . Existe una excepción para ɣ-Fe 2 O 3 que tiene una forma cristalina de espinela y se usa ampliamente como sustrato de grabación magnética. [ 16 ] [ 17 ]

Sin embargo, la estructura no es una estructura de espinela ordinaria , sino más bien una estructura de espinela inversa: una octava parte de los huecos tetraédricos están ocupados por cationes B , una cuarta parte de los sitios octaédricos están ocupados por cationes A y la otra cuarta parte por cationes B. También es posible tener ferritas de espinela de estructura mixta con la fórmula [ M 2+ (1− δ ) Fe 3+ δ ] [ M 2+ δ Fe 3+ (2− δ ) ] O4 , dondeδes el grado de inversión.

El material magnético conocido como "Zn Fe" tiene la fórmula ZnFe2 O4 , conFe 3+ocupando los sitios octaédricos y Zn 2+Al ocupar los sitios tetraédricos, es un ejemplo de ferrita espinela de estructura normal. [ 18 ]

Algunas ferritas adoptan una estructura cristalina hexagonal, como las ferritas de bario y estroncio BaFe12 O19 (BaO·6Fe2 O3 ) ySrFe12 O19 (SrO·6Fe2 O3 ). [ 19 ]

En términos de sus propiedades magnéticas, las diferentes ferritas se clasifican a menudo como "blandas", "semiduras" o "duras", lo que se refiere a su baja o alta coercitividad magnética , como se indica a continuación.

ferritas blandas

Diversos núcleos de ferrita utilizados para fabricar pequeños transformadores e inductores.
Antena de bucle AM ​​de ferrita en una radio portátil, que consiste en un alambre enrollado alrededor de un núcleo de ferrita.
Una variedad de inductores y transformadores pequeños con núcleo de ferrita.

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 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 su 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 relativamente bajas a altas frecuencias, se utilizan ampliamente en los núcleos de transformadores de RF e inductores en aplicaciones como fuentes de alimentación conmutadas y antenas de bucle utilizadas en radios AM.

Las ferritas blandas más comunes son: [ 19 ]

ferrita de manganeso-zinc
"Mn Zn", con la fórmula Mnδ Zn(1− δ ) Fe2 O4. El MnZn tiene mayorpermeabilidadeinducción de saturaciónque el NiZn.
Ferrita de níquel-zinc
"Ni Zn", con la fórmula Niδ Zn(1− δ ) Fe2 O4. Las ferritas de NiZn presentan una resistividad mayor que las de MnZn y, por lo tanto, son más adecuadas para frecuencias superiores a 1 MHz. [ 21 ]

Para su uso con frecuencias superiores a 0,5  MHz pero inferiores a 5  MHz, se utilizan ferritas de MnZn; por encima de este rango, la opción habitual es NiZn. La excepción se da con los inductores de modo común , donde el umbral de elección se sitúa en 70  MHz. [ 22 ]

Ferritas semiduras

Ferrita de cobalto
CoFe2 O4 (CoO·Fe2 O3 ) se encuentra entre los materiales magnéticos blandos y duros y generalmente se clasifica como un material semiduro. [ 23 ] Se utiliza principalmente por sus aplicaciones magnetostrictivas, como sensores y actuadores [ 24 ] gracias a su altamagnetostricción(~200 ppm).CoFe2 O4 también tiene la ventaja de estarde tierras raras, lo que lo convierte en un buen sustituto delterfenol-D. [ 25 ]

Además, las propiedades magnetostrictivas de la ferrita de cobalto se pueden ajustar induciendo una anisotropía magnética uniaxial. [ 26 ] Esto se puede lograr 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 el compuesto. [ 30 ]

ferritas duras

Un pequeño motor eléctrico de imán permanente desmontado, mostrando los dos imanes de ferrita en forma de media luna en el conjunto del estator (abajo a la izquierda).

En contraste, los imanes permanentes de ferrita están hechos de ferritas duras , que tienen una alta coercitividad y una alta remanencia después de la magnetización. 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 usan 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 ). [ 31 ] La densidad de los imanes de ferrita es de aproximadamente 5 g/cm 3 .    

Las ferritas duras más comunes son:

Ferrita de estroncio
SrFe12 O19 (SrO·6Fe2 O3 ), utilizado en pequeños motores eléctricos, dispositivos de microondas, medios de grabación, medios magnetoópticos, telecomunicaciones e industria electrónica. [ 19 ] Hexaferrita de estroncio (SrFe12 O19 ) es bien conocido por su altacoercitividaddebido 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 aplicaciones en sistemas de micro y nanotipos, como biomarcadores, biodiagnósticos y biosensores. [ 32 ]
ferrita de bario
BaFe12 O19 (BaO·6Fe2 O3 ), 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, ende altavocesy como medio paragrabación magnética, por ejemplo, entarjetas de banda magnética.

El óxido de hierro y ( carbonato de bario o carbonato de estroncio ) se utilizan en la fabricación de imanes de ferrita duros. [ 33 ] [ 34 ]

Producción

Las ferritas se producen principalmente mediante dos procesos principales: coprecipitación o el proceso sol-gel. Ambos procesos comienzan con una solución acuosa. La adición de una base/ácido (coprecipitación) o un combustible/quelato (sol-gel) inicia la transformación de la solución. En la coprecipitación, los iones metálicos forman precipitados de hidróxido/óxido. Después de filtrar, lavar, secar y moler, el polvo se calcina para obtener la fase de ferrita. El proceso sol-gel requiere un aumento de temperatura para cambiar la solución homogénea de líquida a gel. Después de que se forma el gel, se produce una reacción de autocombustión/autoignición que crea partículas finas de óxido, que después de moler y calcinar se transforman en el polvo de ferrita final. [ 35 ] Se muestra una ecuación idealizada de la reacción: [ 36 ]

Fe₂O₃ + ZnO → ZnFe₂O₄​​​

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 normalmente como sus carbonatos, BaCO₃ o SrCO₃ . Durante el proceso de calentamiento, estos carbonatos sufren calcinación :

MCO 3 → MO + CO 2

Después de este paso, los dos óxidos se combinan para dar lugar a 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 menos de 2 μm , lo suficientemente pequeñas como para que cada partícula conste de un único dominio magnético . A continuación, el polvo se prensa para darle forma, se seca y se vuelve a sinterizar. El proceso de conformado puede realizarse en un campo magnético externo para lograr una orientación preferencial de las partículas ( anisotropía ).

Mediante prensado en seco se pueden obtener formas pequeñas y geométricamente sencillas. Sin embargo, en este proceso, las partículas pequeñas pueden aglomerarse, lo que resulta en propiedades magnéticas inferiores en comparación con el prensado en húmedo. También es posible la calcinación y sinterización directas sin molienda posterior, pero esto conlleva propiedades magnéticas deficientes.

Los núcleos de ferrita para electroimanes también pueden presinterizarse (prerreacción), molerse y prensarse. Sin embargo, la sinterización se realiza en una atmósfera específica, por ejemplo, con bajo contenido de oxígeno . La composición química y, sobre todo, la estructura varían considerablemente entre el precursor y el producto sinterizado.

Para facilitar el apilamiento eficiente del producto en el horno durante la sinterización y evitar que las piezas se peguen, muchos fabricantes utilizan láminas separadoras de polvo cerámico. Estas láminas están disponibles en diversos materiales, como alúmina, zirconia y magnesia, y en diferentes tamaños de partícula (fina, media y gruesa). Al seleccionar el material y el tamaño de partícula adecuados para el producto que se va a sinterizar, se reduce el daño superficial y la contaminación, a la vez que se optimiza 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 en forma de 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; este tipo de ferritas están hechas con materiales disipativos para no solo bloquear (reflejar), sino también 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 de núcleos . Los polvos de ferrita se utilizan en los recubrimientos de las cintas de grabación magnética .

Las partículas de ferrita también se utilizan como componente de materiales o recubrimientos absorbentes de radar empleados en aeronaves furtivas y en las baldosas absorbentes que recubren las salas utilizadas para mediciones de compatibilidad electromagnética . La mayoría de los imanes de audio comunes, incluidos los utilizados en altavoces y captadores electromagnéticos de instrumentos , son imanes de ferrita. Excepto en ciertos productos "clásicos", los imanes de ferrita han reemplazado en gran medida a los imanes de Alnico, más caros , en estas aplicaciones. En particular, para las hexaferritas duras, los usos más comunes en la actualidad siguen siendo como imanes permanentes en juntas de sellado de refrigeradores, micrófonos y altavoces, pequeños motores para electrodomésticos inalámbricos y en aplicaciones automotrices. [ 37 ]

Los imanes de ferrita encuentran aplicaciones en sistemas de dirección asistida eléctrica y sensores automotrices debido a su rentabilidad y resistencia a la corrosión . [ 38 ] 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. [ 39 ] En los sistemas de dirección asistida eléctrica, proporcionan el campo magnético necesario para un funcionamiento eficiente del motor, contribuyendo al rendimiento y la fiabilidad generales del sistema. [ 40 ] Los sensores automotrices utilizan imanes de ferrita para la detección y medición precisas de varios parámetros, como la posición, la velocidad y los niveles de fluidos. [ 41 ]

Debido a que los imanes de ferrita cerámica generan campos magnéticos más débiles que los imanes superconductores , a veces se utilizan en sistemas de resonancia magnética de campo bajo o abiertos. [ 42 ] [ 43 ] Estos imanes son preferidos en ciertos casos debido a su menor costo, campo magnético estable y capacidad para funcionar sin necesidad de sistemas de refrigeración complejos. [ 44 ]

Las nanopartículas de ferrita presentan propiedades superparamagnéticas .

Historia

Yogoro Kato y Takeshi Takei del Instituto Tecnológico de Tokio sintetizaron los primeros compuestos de ferrita en 1930. Esto llevó a la fundación de TDK Corporation en 1935 para fabricar el material. [ 45 ]

El hexaferrito de bario (BaO•6Fe₂O₃ ) fue descubierto en 1950 en el Laboratorio de Física de Philips ( Philips Natuurkundig Laboratorium ). El descubrimiento fue algo accidental, debido a un error de un asistente que debía preparar 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 , lo entregaron al grupo de investigación magnética. [ 46 ] El hexaferrito 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 desde 1952 se comercializó bajo el nombre comercial Ferroxdure . [ 47 ] También Magnadur de Mullard . El bajo precio y el buen rendimiento llevaron a un rápido aumento en el uso de imanes permanentes. [ 48 ]

En la década de 1960, Philips desarrolló el hexaferrito de estroncio (SrO•6Fe₂O₃ ) , con mejores propiedades que el hexaferrito de bario. El hexaferrito de bario y el de estroncio dominan el mercado debido a sus bajos costos. Se han encontrado otros materiales con propiedades mejoradas. El BaO•2(FeO)•8( Fe₂O₃ ) apareció en 1980 [ 49 ] y el Ba₂ZnFe₁₈O₂₃ apareció en 1991 [ 50 ] .

Véase también

Referencias

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  • Asociación Internacional de Magnetismo
  • ¿Qué son esos salientes en los extremos de los cables de computadora?

Fuentes

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