User:Karlmt/sandbox

pisi|Kõvast ferriidist ferriitmagnetid Ferriitmaterjal või ferriit on keraamiline materjal, mis koosneb mitmest siirdemetalli oksiidist (tavaliselt sisaldab ka Fe2O3). Ferriite iseloomustab madal elektrijuhtivus, mis on omane elektrilistele isolaatoritele. Enamik ferriitmaterjale on ferrimagneetikud ehk omavad mingist kriitilisest temperatuurist TC allpool spontaanset magneetumust. Ferrimagneetikute spontaanne magneetumus on tingitud sellest, et materjali kristallstruktuur koosneb vastandlike magnetmomentidega alamvõredest, kus ühe alamvõre magnetmoment on suurem teise alamvõre magnetmomendist. Igal ferriidil on sõltuvalt koostisest omane Curie temperatuur, TC, millest kõrgemal temperatuuril need on paramagnetilised. Tavaliselt valmistatakse ferriitmaterjale keraamika töötlustehnikatega, näiteks NiO·Fe2O3 valmistamiseks segatakse NiO ja Fe2O3 puru, mida pressitakse ja kuumutatakse, et saada soovitud kujuga materjal.

Struktuuri sümmeetria järgi eristatakse kaht laialt levinud tüüpi ferriitmaterjali - kuubilised ferriidid ja heksagonaalsed ferriidid.

Magnetilise koertsitiivsuse põhjal jaotatakse ferriitmaterjalid kahte gruppi - kõvad ferriidid ja pehmed feriidid. Kõvasid ferriite iseloomustab kõrge koertsitiivsus, mistõttu tuleb nende demagneetimiseks teha rohkem tööd. Kõvad ferriidid sobivad hästi rakendamiseks püsimagnetitena külmkapimagnetites, kõlarites ja elektrimootorites. Pehmete ferriitide koertsitiivsus on madal, mistõttu nende magneetumust on kerge muuta. Seetõttu kasutatakse neid elektroonikatööstuses ferriitsüdamikena kõrgsageduslikes induktiivpoolides ja trafodes.

Ferriitsüdamikmälu
Enne laialdast transistoripõhiste mälude arvutites rakendamist kasutati ferriite ferriitsüdamikes, mis ühendati omavahel juhtmete võrgustikuga. Iga südamikku sai kasutada ühe biti informatsiooni hoidmiseks, kasutades selleks südamiku jäävat magnetmomente kummaski suunas elektrivooluga magneetimisel. Ferriitide hüstereesisilmuse ruudu sarnane kuju oli põhiline põhjus nende valimiseks magnetsüdamikmäludes kasutamiseks. Ferriitide magneetumust saab muuta südamikus materjali koertsitiivsusest veidi kõrgema vastassuunalise magnetvälja rakendamisel. Ferriitsüdamikes kasutati tihti materjali Mg0.45Mn2+0.55Mn3+0.23Fe1.77O4.

Magnetiit
Üks varaseimast teatud looduses leiduv ferriit on magnetiit (FeO·Fe2O3). Magnetiiti on juba sajandeid kasutatud magnetnõeltena kompassides. Veel on leitud, et magnetiidi püsivat magneetumust kasutavad mõned magnetotaktilised bakterid, kes kasutavad selle magnetilisi omadusi Maa magnetväljajoonte järgi orienteerumiseks. Magnetiidi osakesed on bioühilduvad ning neid kasutatakse kontrastainena magnetresonantstomograafias. Tavatingimustes on magnetiit pöördspinelli kristallstruktuuriga ühikraku võreparameetriga a = 8,4 Å. Kogu magnetmoment ühikraku kohta on 4 μB. Alla 120 K temperatuuri juures on stabiilne selle ortorombiline kristallstruktuur (parameetritega a = 5,91 Å, b = 5,95 Å ja c = 8,4 Å). Üleminekul ortorombiliseks saab materjalist pooljuht ning aine elektrijuhtivus muutub järsult.

Maghemiit
Maghemiit on samuti raudoksiidist ferriitmaterjal, mis on tähtis mitmete geofüüsilistel ja tehnoloogilistel põhjustel (näiteks paleomagnetilise ajaloo uurimisel). Looduslikult esineb seda titanomagnemiidina (maghemiidi titaani asendussulam). Maghemiit on tekkinud magnetiidi madalal temperatuuril oksüdeerumise tulemusena ning selle struktuuri kirjeldatakse katiooni defitsiidiga spinell struktuurina.

Teised olulisemad ferriidid
Praktilisest vaatepunktist olulised on segaspinellid molekulvalemiga M1-αZnαFe2O4, kus M on kahevalentne katioon, mis asetseb pöördspinelli struktuuris ning Zn-ga elementaarrakk võtab normaalse spinelli struktuuri. Segaspinelliga ferriite kasutatakse, sest neil on kõrge küllastusmagneetumus magnetmoment ühikraku kohta. Samuti on küllastusmagneetumus täpselt valitav muutes lähteainete proportsioone.

Kuubilised ferriitmaterjalid
Kuubilisi ferriite iseloomustab molekulvalem MO·Fe2O3, kus M tähistab kahevalentset iooni (näiteks Fe2+, Mn2+, Ni2+, Co2+). Magnetiit (molekulvalemiga FeO·Fe2O3) on üks tuntuim kuubilise kristallsümmeetriaga ferriitmaterjal. See leidis ka kõige varem kasutust esimeste kompasside valmistamiseks. Kuubilised ferriidid on magnetiliselt pehmed ehk vähese energiaga magnetiseeritavad ja demagnetiseeritavad. Tänu kõrgele magnetilisele läbitavusele, kõrgele küllastusmagneetumusele ning madalale elektrijuhtivusele on mõistlik neid rakendada induktsioonipoolide südamikena kõrgete sagedustega vahelduvvooluga rakendustes. Kõrge läbitavus võimaldab kõrget magnetvoo tihedust pooli sees, annab kõrge induktiivsuse ning madal elektrijuhtivus takistab pöörisvoolude teket.

Kuubilise kristallsümmeetriaga ferriidid omandavad kristalliseerudes spinelli (MgO·Al2O3) kristallstruktuuri. Spinelli struktuuris hapniku anioonid paiknevad tahktsentreeritud kuubilises asetuses. Anioonide vahel on tühimikud, mis on kahe erineva kujuga – tetraeedrilised ja oktaeedrilised tühimikud. Metallikatioonid asetuvad neis tühimikes, kusjuures oktaeedrilistest tühimikest on täidetud pooled, kuid tetraeedrilistest tühimikest vaid kaheksandik on täidetud. Eristatakse veel normaalse spineli, pöördspineli (ingl. k. inverse spinel) ja nende kahe kombinatsiooni struktuuriga ferriite. Spineli ja pöördspineli kombinatsiooni struktuuri jaotuse iseloomustamiseks määratakse nende jaoks parameeter γ, mis on võrdne oktaeedrilisi tühimikke täitvate M2+-ioonide suhtega M2+-ioonide koguarvu suhtes. Täielikult pöördspineli struktuuriga materjali γ = 1 ning täielikult normaalse spineli puhul γ = 0.

$$\gamma=\frac{N_{M^{2+},okt}}{N_{M^{2+}}}.$$

Normaalne spinel
Normaalses spineli struktuuris on tetraeedrilistes tühimikes ainult M2+-ioonid ning oktaeedrilisi tühimikke täidavad Fe3+-ioonid. Näiteks ZnO·Fe2O3 ja CdO·Fe2O3 on normaalse spineli struktuuriga. Reeglina normaalse spineli struktuuriga ferriitides on antiferromagnetiline vastasmõju nõrk ning seetõttu on need paramagnetid. Näiteks Zn2+- ja Cd2+-ioonid ei oma magnetmomenti ja oktaeedrilistes tühimikes paiknevad Fe3+-ioonid interakteeruvad üksteisega üsna nõrgalt, mistõttu materjali magnetiline läbitavus on väga madal.

Pöördspinel
Pöördspinelis Fe3+-ioonid jagunevad ühtlaselt tetraeedriliste ja oktaeedriliste tühimike vahel ning M2+-ioonid (normaalses spinelis tetraeedrilistes tühimikes) täidavad vaid oktaeedrilisi tühimikke. Näiteks FeO·Fe2O3, CoO·Fe2O3 ja NiO·Fe2O3 on kõik pöördspineli struktuuriga. Pöördspineli struktuuriga ferriitides on antiferromagnetiline vastasmõju tugevam, mille tõttu on need tavaliselt ferrimagnetid. Pöördspineli struktuuris Fe3+-ioonid tetraeedrilistes ja oktaeedrilistes tühimikes on üksteise suhtes paralleelselt ja vastakuti, mistõttu Fe3+-ioonide spinnid tühistavad teineteise mõju. Samas M2+-ioonide spinnid oktaeedrilistes aukudes on samuti kõik paralleelselt joondatud ja sama suunaga, andes pöördspineli struktuuriga ferriitmaterjalile summaarse magnetmomendi.



Heksagonaalsed ferriitmaterjalid
Vahest uurituim heksagonaalsetest ferriitidest on baarium ferriit molekulvalemiga BaO·6Fe2O3. Uuritud on veel heksagonaalseid ferriite SrO·6Fe2O3 ja PbO·6Fe2O3. Baarium ferriidi kristalliseerumisel tekib materjalis heksagonaalse sümmeetriaga magnetoplumbiidi (PbO·6Fe2O3) struktuur. Struktuuri ühikrakus on 10 kihti hapniku anioone, mis omakorda jaotatakse neljaks blokiks (tähistustega S, S*, R ja R* pildil). Blokid S ja S* on spineli struktuuriga, koosnevad kahest kihist hapnikest ning kuuest Fe3+-ioonist. Neli Fe3+-iooni asetsevad oktaeedrilistes tühimikes, nende spinnid suunatud paralleelselt samasuunaliselt ning ülejäänud kaks iooni on tetraeedrilistes tühimikes, kus nende spinnid on paralleelselt vastassuunas oktaeedriliste tühimike rauaioonidega. S* blokki eristab S blokist 180° pööre üksteise suhtes. R ja R* blokid koosnevad mõlemad kolmest hapnikukihist, kus üks keskmise kihi hapniku anioon on asendatud baariumi iooniga. Igas R blokis on kuus Fe3+-iooni, millest viis asetsevad oktaeedrilistes tühimikes, kolme iooni spinnid ühes suunas ja kahe spinnid vastassuunas. Kogu magnetmoment ühikrakus on 20 μB.

Heksagonaalseid ferriite kasutatakse püsimagnetites. Nad on reeglina magnetiliselt kõvad (erinevalt kuubilistest ferriitidest) koertsitiivsustega 200 kA/m kandis. Sarnaselt kuubiliste ferriitidega on neid odav valmistada keraamika töötlusmeetoditega.

Pehmed ferriidid
Madala koertsitiivsusega ferriite kutsutakse pehmeteks ferriitideks. Madal koertisitiivsus näitab, et materjali spontaanse magneetumuse suunda saab muuta madalate energiakuludega. Tavaliselt sisaldavad pehmed ferriidid nikli, tsingi või magneesiumiühendeid ning neid kasutatakse trafodes ja ferriitsüdamikes. Pehme ferriitmaterjali madal elektrijuhtivus takistab pöörisvoolude teket südamikus, mis on samuti üks energiakadude tekitajaid magnetsüdamikes. Tänu võrdlemisi madalatele energiakadudele kõrgsageduslikel vahelduvvooludel kasutatakse neid üsna laialdaselt magnetsüdamikena raadiosagedusega trafodes ning induktiivpoolides, mis omakorda leiavad rakendust lülitusrežiimiga toiteallikates ning silmusantennides.

Levinuimad pehmed ferriidid on MnxZn1-xFe2O4 (mangaan tsink ferriit) ja NixZn1-xFe2O4 (nikkel tsink ferriit). Mangaan tsink ferriidi magnetiline vastuvõtlikkus on kõrge, samas kui nikkel tsink ferriidi magnetiline vastuvõtlikkus on madal. Mangaan tsink ferriiti kasutatakse madalamatel sagedustel kui 5 MHz. Nikkel tsink ferriite kasutatakse nende kõrgema eritakistuse tõttu sagedustel 2 kuni 300 MHz.

Kõvad ferriidid
Kõvadel ferriitidel on kõrge koertsitiivsus ja kõrge jääkmagneetumus. Nende magneetumuse suuna muutmiseks tuleb teha rohkem tööd, mistõttu kasutatakse neid püsimagnetites. Kõvade ferriitmagnetite valmistamisel kasutatakse raudoksiide, baariumkarbonaati ja strontsiumkarbonaati. Nad omavad ka kõrget magnetilist läbitavust, on odavad ning neid võib näha külmkapimagnetites. Ferriitmagnetite tihedus on umbes 5 g/cm3, maksimaalne magnetinduktsioon on umbes 0,35 T ja suurim magnetvälja tugevus on 30 kuni 160 A/m.

Levinuimad kõvad ferriidid on strontsium ferriit (SrO·6Fe2O3) ja baarium ferriit (BaO·Fe2O3). Strontsium ferriiti kasutatakse väikestes elektrimootorites, mikrolaineseadmetes, salvestusseadmetes, magneto-optilistes seadmetes, telekommunikatsiooni- ja elektroonikatööstuses. Baarium ferriiti kasutatakse laialdasemalt püsimagnetites, rooste- ja niiskusekindlas keraamikas, magnetsalvestusseadmetes ja kõlarite magnetitena.

Vaata ka

 * Ferriit (elektrotehnika)
 * Ferriitmälu
 * Ferriitsüdamik