Ferrite


Ferrite

Dieser Artikel behandelt eine Gruppe keramischer Magnetwerkstoffe. Zu den gleichnamigen Modifikationen des Eisens siehe Ferrit.

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

Unterschiedliche Ferritkerne wie sie in Gleichspannungswandlern eingesetzt werden

Man unterscheidet weichmagnetische und hartmagnetische Ferrite. Weichmagnetische Ferrite (Einsatz in der Elektrotechnik/Elektronik als Transformator- und Spulenkerne) werden durch Zusatz von Nickel, Zink oder Mangan-Verbindungen hergestellt und zeichnen sich durch möglichst geringe Koerzitivfeldstärke aus. Im nicht gesättigten Fall ist eine hohe magnetische Leitfähigkeit (Permeabilität) möglich.

Spezielle Mikrowellenferrite bestehen aus Spinellen und Granaten.

Hartmagnetische Ferrite (Einsatz als Dauermagnetwerkstoff) enthalten zusätzlich zum Eisenoxid Barium und Strontium. Im magnetisierten Zustand sollen sie ein möglichst großes Dauermagnetfeld behalten können (Remanenz).

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. Bei hartmagnetischen Ferriten ist dagegen eine möglichst hohe Koerzitivfeldstärke gefordert.

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

Herstellung

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.

Anwendungsgebiete

Anwendung finden Magnetwerkstoffe auf Ferritbasis vor allem in der Elektrotechnik. Da sie kaum elektrisch leitfähig sind und daher nahezu keine Wirbelstromverluste auftreten, sind sie als Kernmaterial für Spulen und Transformatoren auch für höchste Frequenzen geeignet.

Weichmagnetische Ferrite:

  • Ferritkerne in Spulen (Ferritantennen), Drosseln und Transformatoren
  • Zum Verändern der Leitungseigenschaften, siehe Bespulte Leitung
  • in der Hochfrequenztechnik (HF) und beim Antennenbau, z. B. Kerne in Baluns und Zirkulatoren in Diplexern, sowie in variablen Dämpfungsgliedern bzw. Absorbern.
  • Impulsübertrager und Signalübertrager für hohe Frequenzen, z. B. in Symmetriergliedern
  • 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

  • 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