Ferrite

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Ferrite sind elektrisch schlecht oder nicht leitende ferrimagnetische keramische Werkstoffe aus dem Eisenoxid Hämatit (Fe2O3), seltener aus Magnetit (Fe3O4) und aus weiteren Metalloxiden. Je nach Zusammensetzung sind Ferrite hartmagnetisch oder weichmagnetisch.

Eigenschaften[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Es wird zwischen weichmagnetischen und hartmagnetischen Ferriten unterschieden. Weichmagnetische Ferrite besitzen eine möglichst geringe Koerzitivfeldstärke, hartmagnetische Ferrite eine möglichst hohe. Ob ein magnetischer Werkstoff eher weich- oder hartmagnetisch ist, lässt sich anhand seiner Hysteresekurve ermitteln. Für weichmagnetische Ferrite wird eine möglichst leichte (Um-)Magnetisierbarkeit angestrebt, was einer schmalen Hysteresekurve entspricht.

Ferrite sind, wie alle keramischen Werkstoffe, hart und spröde und daher bruchgefährdet.

Weichmagnetische Ferrite[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weichmagnetische Ferritkerne („Eisenkerne“), wie sie in Gleichspannungswandlern und Schaltnetzteilen eingesetzt werden

Weichmagnetische Ferrite werden in der Elektrotechnik als Ferritkerne in Transformatoren in Schaltnetzteilen, Drosseln und in Spulen eingesetzt. Im nicht gesättigten Fall ist eine hohe magnetische Leitfähigkeit (Permeabilität) möglich.

Da sie kaum elektrisch leitfähig sind und daher nahezu keine Wirbelstromverluste auftreten, sind sie auch für hohe Frequenzen bis zu einigen Megahertz geeignet. Spezielle, für Mikrowellen geeignete Ferrite bestehen aus Spinellen und Granaten.

Die üblichen weichmagnetischen Ferritmaterialen sind:

  • Mangan-Zink-Ferrite (MnZn) in der Zusammensetzung MnaZn(1-a)Fe2O4
  • Nickel-Zink-Ferrite (NiZn) in der Zusammensetzung NiaZn(1-a)Fe2O4

MnZn hat gegenüber NiZn eine höhere Permeabilität und höhere Sättigungsmagnetisierung. Die elektrische Leitfähigkeit von NiZn ist geringer als MnZn, weshalb NiZn für höhere Frequenzen geeignet ist.

Hartmagnetische Ferrite[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hartmagnetische Ferrite (Schwarze Blöcke), die als Dauermagnet verwendet werden

Hartmagnetische Ferrite werden als kostengünstige Dauermagnete beispielsweise in Lautsprechern eingesetzt. Im Vergleich zu den Seltenerdmagneten weisen sie eine kleinere Koerzitivfeldstärke und kleinere Remanenzflussdichte auf und haben damit eine deutlich geringere magnetische Energiedichte. Die üblichen hartmagnetischen Ferritmaterialen sind:

Barium-Ferrite sind vergleichsweise robust und unempfindlich gegenüber Luftfeuchtigkeit.

Herstellung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ferrite werden meist in einem Sinterprozess hergestellt. Hartmagnetische Ferrite werden durch eine chemische Reaktion, die Kalzination, aus den Ausgangsstoffen Eisen(III)-oxid und Barium- bzw. Strontiumcarbonat hergestellt. Dieser Prozess wird veraltet als „Vorsintern“ bezeichnet. Anschließend muss das Reaktionsprodukt möglichst fein aufgemahlen (Einbereichsteilchen, Weiss-Bezirke, Korngröße 1 bis 2 µm), zu Presslingen geformt, getrocknet und gesintert werden. Die Formung der Presslinge kann in einem äußeren Magnetfeld erfolgen, wobei die Körner (möglichst Einbereichsteilchen) so in eine Vorzugsorientierung gebracht werden (Anisotropie).

Bei kleinen, geometrisch einfachen Formen kann ebenfalls das sogenannte „Trockenpressen“ zur Formung von Werkstücken eingesetzt werden; hierbei ist die starke Tendenz zur (Re-)Agglomeration kleinster Teilchen (1 bis 2 µm) die Ursache für meist schlechtere magnetische Kennwerte gegenüber den „nass“ gepressten Teilen. Direkt aus den Ausgangsstoffen geformte Presskörper können zwar konzertiert kalziniert und gesintert werden, die magnetischen Kennwerte von auf diesem Wege hergestellten Produkten sind aber sehr schlecht.

Weichmagnetische Ferrite werden ebenfalls vorgesintert (Bildungsreaktion), aufgemahlen und gepresst. Jedoch findet die anschließende Sinterung in speziell angepassten Atmosphären (z. B. Sauerstoffmangel) statt. Die chemische Zusammensetzung und vor allem die Struktur von Vorsinterprodukt und Sinterprodukt unterscheiden sich stark.

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die ersten Forschungen zu den magnetischen Eigenschaften von Oxiden machte der deutsche Chemiker Siegfried Hilpert. Er beschrieb im Jahre 1908 in einem Patent verschiedene magnetische Oxide mit elektrisch isolierenden Eigenschaften zur Verwendung als magnetisches Kernmaterial.[2] Als Zusammensetzung solcher Legierungen schlug er M2+OFe23+O3, vor, wobei „M“ für verschiedene divalente Metalle wie Mn, Cu, Co, Zn, Ni und Mg steht. Wegen der recht hohen Verluste dieser damaligen Versuchs-Legierungen wurde diese Entwicklung nicht weiterverfolgt.

Entscheidend für die elektrischen und magnetischen Eigenschaften der Materialien sind die Sinterbedingungen und die Methoden der Nachbehandlung. Die dazu erforderlichen Grundlagen zur Spinell-Kristallstruktur wurden 1915 durch W. H. Bragg und K. Nishikawa beschrieben

In den USA entwickelte der Forscher Albert W. Hull Anfang 1930 eine Legierung aus Eisen (Fe), Nickel (Ni) und Cobalt (Co)mit einer sehr geringe Wärmeausdehnung. Es wurde benötigt, um die metallischen Anschlüsse von Röhren ohne Bruchgefahr bei thermischer Belastung durch Glas hindurchführen zu können. Er nannte diese Legierung unter Verwendung der Abkürzungen der Legierungsmetalle Fernico. [3] Bei der weiteren Erforschung des Materials bei General Electric Company wurde dann erkannt, dass Fernico gewisse weichmagnetischer Eigenschaften besitzt. Es wurde daraufhin auch als magnetischer Kern für Spulen eingesetzt.

Anfang der 1940er Jahre begann J. L.Snoek am Philips Natuurkundig Laboratorium mit der Erforschung von Kupfer-Zink-Ferriten nachdem er davor weichmagnetische Legierungen erheblich verbessern konnte.[4] Seine ersten Versuche ergaben ein Ferrit-Material mit hoher Güte und einer Permeabilität von 10. Snoek erkannte, dass sich mit einer Veränderung der Herstellprozesse und der Grundbestandteile diese Werte noch erheblich verbessern ließen. Insbesondere betraf das die Kernverluste bei höheren Frequenzen. Das Einfügen nichtmagnetischer FeZn-Verbindungen in die magnetische Spinellstruktur des Magnetits ab 1940 war die Basiserfindung für die späteren weichmagnetischen Ferritkerne.[4]

Die Arbeit von Snoek inspirierte den französischen Forscher Louis Néel nach seinen grundlegenden Entdeckungen auf dem Gebiet des Antiferromagnetismus und des Ferromagnetismus. 1948 formulierte er seine Theorie des Ferrimagnetismus, die bei späteren Forschungen eine große Hilfe waren. Néel erhielt 1970 für seine Arbeiten über den Magnetismus den Physik-Nobelpreis, die zu wichtigen Erkenntnissen in der Festkörperphysik geführt haben.

Die Forschungsgruppe um Snoek entwickelte insgesamt vier unterschiedliche Ferritsorten: CuFe-Ferrite, MnZn-Ferrite, Mg-Zn-Ferrite und NiZn-Ferrite. Sie wurden von Philips unter dem Handelsnamen „Ferroxcube“ (Fe = Eisen, ox = Oxid, cube = kubische Kristallstruktur) vermarktet. Der erste industrielle Durchbruch kam 1946 mit einer Applikation im Bereich der Telekommunikation. Die etwas schwierige Situation nach dem 2. Weltkrieg mit Patentrechten bei den Ferrit-Erfindungen führte 1947 zu einer Einigung zwischen Philips und der amerikanischen Western Electric in Form einer Kreuz-Vereinbarung, die für beide Parteien sehr erfolgreich war.[4]

Der ansteigende Bedarf an Rundfunk- und später Fernsehgeräten beschleunigte die Entwicklung bei den weichmagnetischen Ferriten zu immer neuen, anwendungsspezifischen Eigenschaften. Als erste Beispiele sind die Jochringe in den Ablenkeinheiten von TV-Geräten und die Transformatoren für Schaltnetzteile zu nennen. In den Jahren 1960 bis 2000 wurden immer neue Ferritsorten entwickelt. Es sind Materialien mit einer Permeabilität bis zu 30.000 und für Anwendungen bis zu 10 MHz entwickelt worden.[5] Neue Entwicklungen im Bereich der Nano-Technik eröffnen neue Perspektiven, so dass es scheint, dass auch in Zukunft weichmagnetische Ferrite eine wichtige Rolle spielen werden.

Die Entwicklung hartmagnetischer Ferrite begann mit einer nicht-gewollten Verwechslung. Auf der Suche nach einem neuen Halbleitermaterial machte 1950 ein Assistent im Philips Natuurkundig Laboratorium (Philips Physics Laboratory) einen Fehler bei der Vorbereitung einer Probe von hexagonalem Lanthanferrit indem er Barium verwendete. Bei seiner Untersuchung wurden die guten hartmagnetischen Eigenschaften entdeckt und das Material wurde zum Bariumhexaferrit (BaFe12O19) weiterentwickelt. [6] Das Material hat einerseits eine hohe Koerzitivfeldstärke und ist andererseits preiswert. Es wurde ab 1952 mit dem Handelsnamen „Ferroxdure“ vermarktet und fand schnell Eingang als Permanentmagnet in Lautsprechern.[7]

In den 1960er Jahren entwickelte Philips das Strontiumhexaferrit (SrFe12O19) mit besseren Eigenschaften als Bariumhexaferrit. Barium und Strontiumhexaferrit dominieren aufgrund ihrer niedrigen Kosten bis heute den Markt. Es wurden jedoch andere Materialien mit verbesserten Eigenschaften gefunden. BaFe2 + 2Fe3 + 16O27 kam 1980.[8] und Ba2ZnFe18O23 kam 1991. [9]

Anwendungsgebiete[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Anwendung finden Magnetwerkstoffe auf Ferritbasis vor allem in der Elektrotechnik.

Weichmagnetische Ferrite:

  • Magnetköpfe in Tonbandgeräten (Löschkopf), Videorecordern, Computer-Festplatten und Diskettenlaufwerken
  • Zur Abdichtung von Mikrowellengeräten (Ferrit absorbiert die aus dem Garraum austretenden elektromagnetischen Wellen und verhindert so die Emission nach außen)
  • Stealth-Technik zur Tarnung (Ferrit absorbiert Radar-Wellen)

Je nach Anwendung werden verschiedenste Bauformen hergestellt:

Ringkerne, Stabkerne, sog. bobbin-Kerne, Topfkerne, E- und U-Kerne (in Kombination mit gleichartigen oder mit I-Kernen). Die Buchstaben-Kennzeichnung erfolgt dabei in Anlehnung an die Form. Ein Großteil der Massenferrite wird inzwischen in Asien hergestellt. Seit einigen Jahren werden in China enorme Fertigungskapazitäten aufgebaut.

Hartmagnetische Ferrite:

  • Magnetisierbare Beschichtung auf Ton- und Videobändern (hier jedoch nicht keramisch gebunden)
  • Kernspeicher in Computern mit auf Cu-Drähten aufgefädelten Magnetringen (heute veraltet)
  • Dauermagnete aller Art, z. B. Magnetsegmente in permanentmagnetisch erregten Elektromotoren, in Lautsprechern
  • Verbundwerkstoffe (Compounds) aus Hartferritpulvern und Thermo- bzw. Duroplasten, die entweder spritzgegossen, extrudiert oder kalandriert werden. Bei den meisten spritzgegossenen Werkstücken aus Hartferritcompound wird nach dem Einspritzen in das Werkzeug ein äußeres Magnetfeld angelegt, um die magnetischen Kennwerte zu verbessern. Bei kalandrierten, und teilweise auch bei extrudierten Compounds findet die Ausrichtung idealerweise mechanisch statt, wobei die Plättchenform der Körner von Hartferrit ausgenutzt wird. Hartferritpulver für spritzgussfähige Compounds dagegen sollen möglichst runde Körner besitzen, da sie sich beim Ausrichten im äußeren Magnetfeld in der sehr zähen (hochviskosen) Kunststoffmatrix noch drehen können sollten.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • S. Krupicka: Physik der Ferrite Vieweg Verlag Braunschweig, 1973, ISBN 3-528-0-8312-3.
  • J. Smit, H.P.J. Wijn: Ferrite Philips Technische Bibliothek - N.V. Philips´ Gloelampenmfabriken, Eindhoven (Holland), 1962, ohne ISBN.
  • W. Kampczyk, E. Roß: Ferritkerne Siemens Fachbuch Verlag, München 1978, ISBN 3-8009-1254-6.
  • Richard P. Feynman, Robert B. Leighton, Matthew Sands: Vorlesungen über Physik. 3. Auflage, Oldenbourg Verlag, München Wien, 2001, ISBN 3-486-25589-4.
  • Hans Fischer: Werkstoffe in der Elektrotechnik. 2. Auflage, Carl Hanser Verlag, München Wien, 1982 ISBN 3-446-13553-7

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: Ferrite – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
 Wiktionary: Ferrit – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Synthesis and Magnetic Properties of Cobalt Ferrite (CoFe2O4). arxiv:cond-mat/0606631.
  2. S. Hilpert, Genetische und konstitutive Zusammenhänge in den magnetischen Eigenschaften bei Ferriten und Eisenoxiden. Chem. Ber. 42 (1909) 2248-2261
  3. Albert Wallace Hull, 1880—1966, A Biographical Memoir by C. G. Suits and J. M. Laffert, Copyright 1970 National Academy of Sciences Washington D.C. PDF
  4. a b c T. Stijntjes, B.van Loon, Scanning Our Past From The Netherlands, Early Investigations on Ferrite Magnetic Materials by J. L. Snoek and Colleagues of the Philips Research Laboratories Eindhoven, Proceedings of the IEEE, Vol.96, No.5, May2008 [1]
  5. L. Jaswal, B. Singh, Ferrite materials: A Chronological Review Journal of Integrated Science & Technology, 2014, 2(2),69-71, [2]
  6. Marc de Vries, 80 Years of Research at the Philips Natuurkundig Laboratorium (1914-1994), p. 95, Amsterdam University Press, 2005 ISBN 9085550513.
  7. R. Gerber, C.D. Wright, G. Asti, Applied Magnetism, p. 335, Springer, 2013 ISBN 9401582637
  8. F. K. Lotgering, P. H. G. M. Vromans, M. A. H. Huyberts, "Permanent‐magnet material obtained by sintering the hexagonal ferrite W=BaFe2Fe16O27", Journal of Applied Physics, vol. 51, pp. 5913-5918, 1980
  9. Raul Valenzuela, Magnetic Ceramics, p. 76-77, Cambridge University Press, 2005 ISBN 0521018439.