Ферриты

Ферриты — это класс химических соединений, представляющих собой ферримагнитные материалы на основе оксида железа(III) (Fe₂O₃) и оксидов других металлов. Ферриты обладают магнитными свойствами, сходными с ферромагнетиками, но при этом являются электрическими полупроводниками с высоким удельным сопротивлением, что отличает их от металлических магнитных материалов. Благодаря сочетанию магнитных свойств и низкой электропроводности, ферриты широко применяются в электронике, радиотехнике и электротехнике для изготовления магнитных сердечников, трансформаторов, дросселей, антенн и элементов памяти.

История

Первые сведения о ферритах относятся к концу XIX века. В 1898 году японский физик Ёсио Китагава (Yoshio Kitagawa) синтезировал образцы ферритов, однако их практическое применение было ограничено из-за сложности производства и нестабильности свойств. В 1930-х годах голландская компания Philips начала систематические исследования ферритов, что привело к созданию в 1940-х годах промышленно значимых материалов — так называемых «ферроксюбов» (ferroxcube). Эти материалы, представляющие собой марганец-цинковые и никель-цинковые ферриты, обладали высоким магнитным насыщением и низкими потерями на вихревые токи, что сделало их пригодными для использования в высокочастотной технике.

В 1950-х годах были разработаны ферриты с прямоугольной петлёй гистерезиса, которые нашли применение в запоминающих устройствах первых компьютеров. В СССР исследования ферритов активно проводились в Институте металлургии имени А. А. Байкова и в ряде отраслевых институтов. К 1960-м годам ферриты стали одним из основных материалов для сердечников трансформаторов и дросселей в радиоэлектронной аппаратуре.

Классификация

Ферриты классифицируются по нескольким признакам.

По химическому составу

• Марганец-цинковые ферриты (Mn-Zn) — наиболее распространённый тип, обладающий высокой магнитной проницаемостью (до 20 000) и относительно низким удельным сопротивлением (10–100 Ом·см). Используются в низкочастотных трансформаторах, дросселях и фильтрах.
• Никель-цинковые ферриты (Ni-Zn) — имеют более высокое удельное сопротивление (10⁴–10⁶ Ом·см) и меньшую магнитную проницаемость (10–1000). Применяются в высокочастотных устройствах, таких как антенны, катушки индуктивности и ферритовые кольца для подавления помех.
• Кобальт-цинковые ферриты (Co-Zn) — используются для создания постоянных магнитов и в устройствах с прямоугольной петлёй гистерезиса.
• Магний-марганцевые ферриты (Mg-Mn) — обладают высокой стабильностью свойств при изменении температуры, применяются в СВЧ-технике.
• Стронциевые и бариевые ферриты — относятся к классу гексаферритов, используются для изготовления постоянных магнитов с высокой коэрцитивной силой.

По магнитным свойствам

• Магнитомягкие ферриты — легко перемагничиваются, имеют узкую петлю гистерезиса. Используются в трансформаторах, дросселях, магнитных усилителях.
• Магнитотвёрдые ферриты — обладают высокой коэрцитивной силой, сохраняют намагниченность после снятия внешнего поля. Применяются для изготовления постоянных магнитов.
• Ферриты с прямоугольной петлёй гистерезиса — имеют два устойчивых состояния намагниченности, используются в запоминающих устройствах (например, ферритовые сердечники в оперативной памяти ранних ЭВМ).

По кристаллической структуре

• Шпинели — кубическая кристаллическая решётка, характерная для большинства магнитомягких ферритов (Mn-Zn, Ni-Zn).
• Гексаферриты — гексагональная структура, свойственная магнитотвёрдым ферритам (бариевые, стронциевые).
• Гранаты — кубическая структура, характерная для редкоземельных ферритов (например, иттрий-железистый гранат), используемых в СВЧ-технике.

Устройство и свойства

Ферриты представляют собой керамические материалы, получаемые методом порошковой металлургии. Исходные компоненты (оксиды металлов) смешиваются, прессуются и подвергаются высокотемпературному обжигу (1200–1400 °C). В процессе обжига происходит твёрдофазная реакция, в результате которой образуется кристаллическая решётка с определённым распределением ионов металлов.

Магнитные свойства

Магнитные свойства ферритов обусловлены ферримагнитным упорядочением: магнитные моменты ионов в кристаллической решётке ориентированы антипараллельно, но их величины не равны, что приводит к результирующей намагниченности. Основные характеристики:

• Магнитная проницаемость (μ) — от 10 до 20 000 в зависимости от состава.
• Коэрцитивная сила (Hc) — от 0,1 А/м (магнитомягкие) до 200 кА/м (магнитотвёрдые).
• Индукция насыщения (Bs) — обычно 0,3–0,5 Тл, что ниже, чем у металлических ферромагнетиков (до 2 Тл).
• Точка Кюри — температура, выше которой феррит теряет магнитные свойства (обычно 100–450 °C).

Электрические свойства

Удельное электрическое сопротивление ферритов (10²–10⁶ Ом·см) на несколько порядков выше, чем у металлических магнитных материалов (10⁻⁶ Ом·см). Это объясняется тем, что ферриты являются полупроводниками с широкой запрещённой зоной. Высокое сопротивление резко снижает потери на вихревые токи, что позволяет использовать ферриты на высоких частотах (до сотен мегагерц).

Механические свойства

Ферриты — хрупкие, твёрдые материалы (твёрдость по Моосу 5–6), плохо поддаются механической обработке. Изделия из ферритов обычно изготавливаются методом прессования и обжига, после чего могут быть только шлифованы или полированы.

Применение

Ферриты находят широкое применение в различных областях электроники и электротехники.

В радиоэлектронике

• Сердечники трансформаторов и дросселей — ферритовые кольца, стержни, броневые сердечники используются в импульсных блоках питания, преобразователях напряжения, фильтрах.
• Ферритовые антенны — стержневые ферритовые сердечники применяются в магнитных антеннах радиоприёмников (например, в диапазоне средних и длинных волн).
• Ферритовые кольца для подавления помех — надеваются на кабели и провода для подавления высокочастотных электромагнитных помех (ЭМП).

В вычислительной технике

• Ферритовые запоминающие устройства — в 1950–1970-х годах ферритовые сердечники с прямоугольной петлёй гистерезиса использовались в оперативной памяти (ОЗУ) первых компьютеров. Матрицы из тысяч миниатюрных ферритовых колец обеспечивали хранение битов информации.
• Магнитные головки — ферритовые сердечники применяются в головках чтения/записи для магнитных лент и жёстких дисков.

В электротехнике

• Постоянные магниты — магнитотвёрдые ферриты (бариевые, стронциевые) используются в динамиках, микрофонах, электродвигателях, генераторах, датчиках.
• Магнитные сепараторы — ферритовые магниты применяются для извлечения ферромагнитных примесей из сыпучих материалов.
• СВЧ-устройства — ферриты (например, иттрий-железистый гранат) используются в циркуляторах, изоляторах, фазовращателях и других элементах СВЧ-трактов.

В медицине

• Магнитно-резонансная томография (МРТ) — ферритовые частицы используются в качестве контрастных веществ.
• Магнитная гипертермия — ферритовые наночастицы применяются для локального нагрева опухолевых тканей в переменном магнитном поле.

Интересные факты

• Ферриты являются одними из немногих материалов, которые одновременно обладают магнитными свойствами и высоким электрическим сопротивлением. Это делает их незаменимыми в высокочастотной технике, где металлические магнитные материалы (например, электротехническая сталь) непригодны из-за больших потерь на вихревые токи.
• В 1950-х годах в СССР были разработаны ферриты с рекордной магнитной проницаемостью (до 50 000), которые использовались в сверхчувствительных магнитных усилителях.
• Ферритовые сердечники для запоминающих устройств ранних ЭВМ (например, IBM 650) требовали ручной сборки: операторы вручную продевали провода через миниатюрные ферритовые кольца диаметром менее 1 мм.
• Бариевые и стронциевые ферриты являются наиболее распространёнными материалами для изготовления недорогих постоянных магнитов, используемых в бытовой технике, игрушках и автомобильной электронике.

Источники

• Киттель Ч. Введение в физику твёрдого тела. — М.: Наука, 1978.
• Смит Я., Вейн Х. Ферриты. — М.: Издательство иностранной литературы, 1962.
• Гуревич А. Г. Магнитные свойства ферритов. — М.: Советское радио, 1968.
• Поливанов К. М. Ферромагнетики и ферриты. — М.: Энергия, 1970.
• Техническая документация производителей ферритов (Ferroxcube, TDK, Epcos).