فریتها و کاربردهای آنها
تاریخچه مواد فریتی در قرنهای مختلف قبل از تولد مسیح با کشف سنگهایی که آهن را به خود جذب می کنند آغاز شد. مقدار زیادی از این سنگها در منطقه مگنزیا در آسیای صغیر یافت شده اند. از این رو، این کانیها به عنوان مگنتیت (Fe3O4) نامگذاری شده اند. اولین کاربرد مگنتیت، "Lodestones" (آهنرباهای طبیعی) بود که توسط ناوبران اولیه برای شناسایی شمال مغناطیسی استفاده می شده است. اولین مطالعه علمی درباره مغناطیس De Magnete در سال 1600 توسط ویلیام گیلبرت منتشر شد. در سال 1819، هانس کریستین اورستد نشان داد که جریان الکتریکی در یک سیم بر روی سوزن قطب نمای مغناطیسی تأثیر می گذارد. به علاوه، مشارکتهای فارادی، ماکسول، هرتز و بسیاری دیگر از دانشمندان در زمینه جدید الکترومغناطیس، علم را بسیار پیشرفت داده است. اصطلاح "فریت" از کلمه لاتین "ferrum"، به معنی آهن اقتباس شده است. فریتها مواد سرامیکی همگنی هستند که از اکسیدهای مختلف مانند اکسید آهن به عنوان اصلیترین جزء تشکیل شده اند.
فریتها یک رده منحصر به فرد از ترکیبات شامل لانتانیدها و فلزات انتقالی (عناصر واسطه) ، به ویژه آهن، کروم و منگنز هستند. فریتها رده بزرگی از اکسیدها با خاصیت مغناطیسی قابل توجهی هستند که طی ∼50 سال گذشته مورد بررسی و استفاده قرار گرفته اند. کاربردهای آنها شامل یک دامنه قابل توجه از مدارهای مجتمع موج در مقیاس میلی متر تا کنترل قدرت، آهنرباهای دائمی ساده و ضبط مغناطیسی است.
فرمول کلی MʹMʹʹ2O4 است، که Mʹ یک عنصر خاکی نادر است (یونهای فلزی دو ظرفیتی مانند Fe2+، Mg2+ ، Ni2+ ، Co2+ ، Zn2+ ، Cu2+) و Mʹʹ آهن، کروم، منگنز و غیره است (یونهای فلزی سه ظرفیتی) یعنی Fe3+ ، Cr3+ ، Al3+ ، Mn3+. مهمترین مشتقات تجاری این فریتها Zn2+ جایگزین شده توسط Niو Mn هستند که به ترتیب به صورت NiZnFe2O4 و MnZnFe2O4 نشان داده می شوند. تفاوت عمده این دو فریت در مقاومت آنها است. بسته به ترکیب و شرایط فرآوری خصوصیات مغناطیسی و الکتریکی فریتها تغییر می نمایند.
مشهورترین ترکیبات عبارتند از منگنز-روی (MnZn)، نیکل-روی (NiZn). این ترکیبات خاصیت مغناطیسی خوبی را در زیر دمای خاصی به نام دمای کوری (TC) از خود نشان می دهند که در آن می توان به راحتی مغناطیسی شده و مقاومت ذاتی نسبتاً بالایی دارد. این مواد را می توان تا فرکانسهای بسیار بالا و بدون محدودیت به جای مواد مغناطیسی طبیعی مورد نیاز استفاده کرد.
فریتها را می توان با سه روش مختلف در سه سیستم بلوری بدست آورد، و امکان تهیه تعداد نامحدودی از محلولهای جامد وسیله ای برای تطبیق خواص آنها است.
برای بسیاری از کاربردها، فریتها را نمی توان با فلزات فرومغناطیسی جایگزین کرد. از طرف دیگر، فریتها اغلب از منظر اقتصادی با فلزات رقابت می کنند.
فریتهای فلزی انتقالی با ساختار اسپینل (MFe2O4 با M = Co2+ ، Ni2+ ، Cu2+ ، Zn2+ و غیره) در بسیاری از کاربردهای فن آوری مانند دستگاه های حافظه مغناطیسی استفاده می شوند. فریت کبالت (CoFe2O4) یکی از اعضای مهم رده فریت مغناطیسی است که در دمای اتاق به راحتی قابل دسترسی است.
فریت نیکل (NiFe2O4) نیز به دلیل مغناطیسی زیاد و وادارندگی پایین، طی چند دهه گذشته به شدت مورد مطالعه قرار گرفته است، و این امر باعث امیدبخشی در کاربردهایی می شود که نیاز به استفاده از مواد مغناطیسی نرم دارند.
هر دو NiFe2O4 و CoFe2O4 متبلور دارای گروه فضایی Fd3m هستند که به عنوان فریتهای معکوس اسپینل شناخته می شوند که در آنها مکانهای هشت ضلعی توسط یونهای دو ظرفیتی Co2+ / Ni2+ اشغال می شوند، در حالیکه تعداد مساوی Fe3+ یونها در سایتهای چهار وجهی و هشت ضلعی قرار دارند.
رده بندی فریتها
فریتها بر اساس وادارندگی مغناطیسی و مقاومت در برابر پراکنش مغناطیسی، به دو دسته فریتهای نرم و سخت طبقه بندی می شوند.
از سال 1930، ژاپن و هلند شروع به تحقیق در مورد فریتهای نرم کردند. با اینحال، در سال 1945 بود که J.L. Snoek از آزمایشگاههای تحقیقاتی فیلیپس در هلند با موفقیت فریتهای نرم را برای کاربردهای تجاری سنتز کرد. فریت نرم نوعی ماده الکترومغناطیسی سرامیکی است که از نظر ظاهری خاکستری تیره یا سیاه است و دارای خواص بسیار سخت و شکننده است. اصطلاح فریتهای نرم هیچ ارتباطی با خصوصیات فیزیکی آنها ندارد بلکه به خصوصیات مغناطیسی آنها اشاره دارد. فریتهای نرم پس از مغناطیسی شدن، خاصیت مغناطیسی خود را حفظ نمی کنند، مانند فریتهای روی، کبالت، نیکل، منگنز و منیزیم.
فریتهای سخت نیز به عنوان آهنرباهای دائمی شناخته می شوند که می توانند پس از مغناطیدگی، مغناطیسی خود را حفظ کنند. در مورد فریتهای سخت، حتی پس از حذف میدان مغناطیسی اعمال شده، یک مغناطیس قوی باقی می ماند و حتی اگر قدرت خاصی برای حذف مغناطیدگی اعمال شود، مغناطیس باقیمانده پایدار است. این فریتها رده بزرگی از مواد سرامیکی را تشکیل می دهند. فریتهای سخت بیشتر به دلیل پایین بودن قیمت هر واحد انرژی موجود، در دسترس بودن گسترده مواد اولیه و پایداری شیمیایی بالا در بازار آهنرباهای دائمی غالب هستند.
خواص عمومی
خواص همه فریتها نه تنها به ترکیبات شیمیایی آنها بلکه به روشهای استفاده شده برای ساخت و تهیه بستگی دارد. با اینحال، می توان با افزودن کمی ناخالصی متناسب با کاربردهای مد نظر تغییراتی در خصوصیات مختلف آنها ایجاد کرد.
- آنها ثابت دی الکتریکی بالایی دارند که در فرکانسهای پایین تر در حد هزار است و در فرکانسهای مایکروویو به حدود 10 تا 20 می رسد. این مسئله به دلیل نزدیکی ساختار یونهای اکسیژن است.
- به طور کلی رنگ آنها سیاه یا خاکستری است. این را می توان به انرژیهای تقریباً برابر حالتهای 3d و s4 نسبت داد. دلیل تیرگی فریتها جذب در ساختار کریستال فریت فقط در محدوده قابل مشاهده می باشد.
- اندازه گیری نقاط ذوب آنها دشوار است زیرا در دمای بالا اکسیژن از دست می دهند. با اینحال، Van Arkel نقاط ذوب آنها را با شعله اکسی هیدروژن اندازه گیری کرد.
- آنها رسانای الکتریسیته نیستند اما تحت تأثیر یک میدان الکتریکی اعمال شده مانند نیمه هادی رفتار می کنند.
- آنها بسیار سخت و شکننده هستند. به این دلیل که یونهای اکسیژن دارای یک ساختار فضایی فشرده هستند، در نتیجه پیوندهای یونی را بسیار قوی می کند.
- آنها بیشتر به دلیل خاصیت مغناطیسی شناخته می شوند. خواص مهم شامل: (1) ناهمسانگردی مغناطیسی: اکثر فریتها توانایی استفاده از میدان مغناطیسی را در طول یک محور ترجیحی کاملاً مغناطیسی دارند. (2) هیسترسیس (پسماند) و نفوذ پذیری: فریتها دارای حلقه پسماند نازک یا حلقه های مربعی هستند. فریتهای دارای این حلقه در گروه فریتهای نرم قرار می گیرند و کاربردهایی را در دستگاه هایی مانند ترانسفورماتورها و القاگرها پیدا می کنند. فریتهای دارای حلقه مربع به عنوان فریتهای سخت طبقه بندی می شوند که در دستگاه های حافظه و دستگاه های سوئیچینگ کاربرد پیدا می کنند.