5. Ферриты и их применение

Ферриты (или оксиферы) — химические соединения оксида железа Fe₂O₃ с оксидами других металлов, обладающие уникальными магнитными свойствами, сочетающие высокую намагниченность и полупроводниковые или диэлектрические свойства.

В состав Феррита входят анионы кислорода O²⁻, образующие остов их кристаллической решётки; в промежутках между ионами кислорода располагаются катионы Fe³⁺, имеющие меньший радиус, чем анионы O²⁻, и катионы Me^k+ металлов, которые могут иметь радиусы различной величины и разные валентности k. Существующее между катионами и анионами кулоновское (электростатическое) взаимодействие приводит к формированию определённой кристаллической решётки и к определённому расположению в ней катионов. В результате упорядоченного расположения катионов Fe³⁺ и Me^k+ Ферриты обладают ферримагнетизмом и для них характерны достаточно высокие значения намагниченности и точек Кюри. Различают Ф.-шпинели, Ф.-гранаты, ортоферриты и гекса ферриты.

Ферриты-шпинели имеют структуру минерала шпинели с общей формулой MeFe₂O₄, где Me — Ni²⁺, Co²⁺, Fe²⁺, Mn²⁺, Mg²⁺, Li⁺, Cu²⁺. Элементарная ячейка Ф.-шпинели представляет собой куб, образуемый 8 молекулами MeOFe₂O₃ и состоящий из 32 анионов O²⁻, между которыми имеется 64 тетраэдрических (А) и 32 октаэдрических (В) промежутков, частично заселённых катионами Fe³⁺ и Me²⁺. В зависимости от того, какие ионы и в каком порядке занимают промежутки А и В, различают прямые шпинели (немагнитные) и обращенные шпинели (ферримагнитные). В обращенных шпинелях половина ионов Fe³⁺ находится в тетраэдрических промежутках, а в октаэдрических промежутках — 2-я половина ионов Fe³⁺ и ионы Me²⁺. При этом намагниченность октаэдрической подрешётки больше тетраэдрической, что приводит к возникновению ферримагнетизма.

Ферриты-гранаты редкоземельных элементов R³⁺ (Gd³⁺, Tb³⁺, Dy³⁺, Ho³⁺, Er³⁺, Sm³⁺, Eu³⁺) и иттрия Y³⁺ имеют кубическую структуру граната с общей формулой R₃Fe₅O₁₂. Элементарная ячейка Феррит-гранатов содержит 8 молекул R₃Fe₅O₁₂; в неё входит 96 ионов O²⁻, 24 иона R³⁺ и 40 ионов Fe³⁺. В Феррит-гранатах имеется три типа промежутков, в которых размещаются катионы: большая часть ионов Fe³⁺ занимает тетраэдрические, меньшая часть ионов Fe³⁺ — октаэдрические и ионы R³⁺ — додекаэдрические места.

Ортоферритами называют группу ферритов с орторомбической кристаллической структурой. Их образуют редкоземельные элементы или иттрий по общей формуле RFeO₃. Ортоферриты изоморфны минералу перовскиту. По сравнению с Ферритами-гранатами они имеют небольшую намагниченность, так как обладают неколлинеарным антиферромагнетизмом (слабым ферромагнетизмом) и только при очень низких температурах (порядка нескольких К и ниже) — ферримагнетизмом.

Благодаря уникальному сочетанию высоких магнитных свойств и низкой электропроводности ферриты не имеют конкурентов среди других магнитных материалов в технике высоких частот (более 100 кГц). Ферриты используют в качестве магнитных материалов в радиотехнике, электронике, автоматике, вычислительной технике (ферритовые поглотители электромагнитных волн, антенны, сердечники, элементы памяти, постоянные магниты и т. д.).

Объединяющим признаком этой группы материалов является их принадлежность к высокочастотным магнитомягким ферритам, а определяющим — установление норм только на величины начальной магнитной проницаемости и тангенса угла магнитных потерь.

Изделия из ферритов этой группы нашли широкое применение в целом ряде областей техники и выпускаются в виде деталей разнообразных конфигураций и размеров (Ш-, Е-, П- образные и броневые сердечники, пластины, стержни, трубки и т.п.). Их широко применяют в слабых и сильных полях в диапазоне частот до 30МГц в трансформаторах, дросселях, магнитных антеннах и другой аппаратуре, где нет особых требований к температурной и временной стабильности.

Одним из случаев применения ферритов является изготовление так называемых ферритовых фильтров.

Ферритовый фильтр —пассивный электрический компонент, использующийся для подавления высокочастотных помех в электрических цепях. Чаще всего имеют форму цилиндров, параллелепипедов. Могут быть съемными с защелками или несъемными литыми. Ферритовые фильтры используются как дополнительные внешние фильтры, как правило, для устройств, имеющих длинные соединительные кабели. Ферритовое кольцо увеличивает индуктивность проходящего через него участка провода в несколько сотен (вплоть до тысяч) раз, что и обеспечивает подавление помех высокой частоты.