Феррит - свойства и применение

О минерале, который притягивается к стальным изделиям, человечеству стало известно еще в 3 веке до нашей эры. Люди были поражены, но дальнейшего развития способов его применения не последовало. Второе рождение феррита произошло после открытия компаса. Кусок минерала, закрепленный на плавающей доске, всегда указывал в одну сторону, облегчая морякам поиск нужного направления.

Окончательное признание феррит получил после опубликования теории взаимодействия электрических и магнитных полей Фарадеем. Это позволило миру взглянуть по-новому на свойства и применение феррита. Так что же это за материал и почему он так интересен радиоэлектроникам.

Общая характеристика и химический состав

Ферриты представляют собой сплав оксида железа с оксидом другого ферромагнитного металла: медь, цинк, кобальт, никель и т. д. В промышленном применении наибольшее распространение получили следующие типы ферритов:

• Никель-цинковый феррит. Имеют свойства высокого удельного электросопротивления, что делает их более выгодными в использовании на частоте от 500 КГц до 200 МГц.
• Магний-марганцевый. Их применяют при работе со звуковыми частотами.
• Марганцово - цинковый. Данный тип имеет наименьшие потери на вихревые токи.

Свойства и особенности 

Это - полупроводники, свойства проводить ток которых повышается с увеличением температуры. Плотность ферритов зависит от марки, и колеблется в пределах от 4000 до 5000 кг\м3. Ферриты обладают повышенными теплофизическими свойствами. Коэффициент тепловой проводимости равен 4,1 Вт/(м·К). Теплоемкость 600-900 Дж\кг*К.

Главным достоинством ферритовых сплавов является наличие повышенного удельного электросопротивления с сочетанием высоких магнитных свойств. Наиболее выгодным будет применение феррита при таких эксплуатационных характеристиках как малое значение индукции и высокие частоты.

При низких значениях частот повышается относительная диэлектрическая проницаемость феррита. При одновременном наличии высокой магнитной проницаемости это может привести к наложению волн друг на друга. Как результат возникает объемный резонанс, при котором вихревые токи увеличиваются в разы, а, следовательно, потери.

Ухудшение магнитных свойств в ферритах происходит по следующим причинам:

• Механическое воздействие на ферритовый сплав. Образование трещин на поверхности магнитного сердечника может привести к смене знака магнитного поля. Особенно опасны силы, векторы которых направлены параллельно или перпендикулярно линиям магнитного поля.
• Одновременное наложение постоянного и переменного полей. Происходит наложение частот друг на друга, что в результате увеличивает вероятность образования резонанса.
• Выход за пределы рабочих температур согласно условиям эксплуатации приводит к возникновению остаточной магнитной проницаемости феррита. Также наблюдается нестабильность магнитных свойств в ферритах при долгом нахождении под воздействием плюсовой температуры.
• Повышенная влажность может стать причиной изменения в феррите электропроводных свойств, которые, в свою очередь, способствуют увеличению потерь. Из-за этого ферриты, работающие при частоте выше 3 МГц и в условиях высокой влажности, требуют нанесения на их поверхность водоизолирующего материала.
• Радиационное излучение сильно снижает магнитные характеристики и электрические свойства ферритов, особенно ферритных сплавов на основе марганца и цинка.

Феррит обладает незначительными механическими свойствами. Не отличаются ни прочностью, ни пластичностью.

Модуль упругости составляет в среднем 45 000 МПа. Модуль сдвига ферритовых сплавов 5500 МПа. Предел прочности на растяжение равен 120 МПа. На сжатие 900 МПа. Значение коэффициента Пуансона колеблется в пределах 0,25-0,45.

Виды применения

В силу вышеперечисленных свойств главным потребителем ферритов является радиоэлектроника. Применение определенного сплава феррита ограничивается значением критических частот, выход за пределы которых увеличивает потери и снижает эксплуатационные свойства, в частности магнитную проницаемость. Ферритовые сплавы по свойствам и применению делят на:

• Общепромышленного применения (400НН,1000НМ, 1500 НМ). По своим магнитным свойствам относятся к ферритам высокой частоты. Магнитная проницаемость ферритовых сплавов колеблется в пределах от 100 до 4000. Такие ферритовые сердечники используются при частоте до 30 МГц. Также в их область применения входит изготовление сердечников магнитных антенн, трансформаторов и прочего оборудования, от которого не требуется повышенные свойства устойчивости к температурам.
• Термически стабильные. Содержат в себе высокочастотные (20ВН,7ВН) и низкочастотные (1500НМ3, 1500НМ1) типы. Их главные свойства - высокая добротность и стабильная начальная магнитная проницаемость. Кроме того, указанные ферритные сплавы в эксплуатации отличаются такими свойствами как низкий относительный температурный коэффициент магнитной проницаемости. Низкочастотные ферриты нашли применение в работе со слабым полем и частоте до 2,9 МГц, а высокочастотные до 99 МГц. В основном они служат сырьем для броневых сердечников и сердечников для антенн.
• Ферриты высокопроницаемые (6000НМ1, 6000НМ, 4000НМ). Отличительными свойствами являются повышенная начальная магнитная проницаемость при низкой частоте и высокая добротность. Вышеперечисленные ферритные сплавы применяют при изготовлении статических преобразователей и делителей напряжения. Магнитные свойства ферритов позволяют заменить в данных приборах дефицитные пермаллоевые сердечники.
• Для телевизионной аппаратуры (4000НМС, 3500НМС1). Ферритовые сплавы этой категории имеют низкие потери при частоте, используемой в телевизионном оборудовании. Также среди их свойств выделяется повышенная магнитная индукция при высоком значении температур. Из данных ферритов изготавливают сердечники трансформаторов и сердечники спецузлов телевизора.
• Ферриты импульсных трансформаторов (300ННИ, 300ННИ1). Особенность данных сплавов в их использовании - работа в режиме импульсного намагничивания. Главное применение ферритов – изготовление сердечников импульсных трансформаторов.
• Для производства контуров радиотехнических приборов (10ВНП, 35ВНП). Своим применением в радиоэлектронике они обязаны таким свойствам как высокий показатель коэффициента перестройки по частоте и низким потерям при работе на частотах до 250 МГц. Основное их техническое применение – это сердечники контуров, настраиваемые подмагничиванием.
• Для широкополосных трансформаторов. Объединяющие свойства  – высокая добротность, низкое значение нелинейных искажений и более высокая точка Кюри. Самые популярные ферриты данной категории в использовании - 200ВНС, 90ВНС и 50ВНС. Их свойства позволили найти такое применение как изготовление сердечников широкополосных трансформаторов.
• Для магнитных головок. Ферритовые сплавы данной категории производят на основе никель-цинковых ферритов: 500НТ и 1000НТ. Воздействие сердечников с носителем информации требует наличия в ферритах минимальной поверхности пористости.
• Для магнитного экранирования. Сюда относятся 2 марки: 800ВНРП и 200ВНРП. Ферритные сердечники данных сплавов применяют в радиопоглощающих приборах для устранения радиопомех.
• Для датчиков (1200НН, 1200НН1 и 1200НН2). Отличительные свойства приведенных ферритов – это повышенная термочувствительность и высокая магнитная проницаемость. Это позволило найти им применение при производстве термореле.

Ценообразование

Стоимость феррита определяется следующими свойствами:

• Характеристики размера и формы. Сердечники 80х40х25 обойдутся примерно в 200 рублей.
• Вид применения сердечника. Ферритные поглотители для камер стоят порядка 1000 – 4000 руб. Ферритовая игла для граммофона - около 400 руб.
• Тип сплава, использующийся в ферритах. Содержание в феррите дорогостоящих металлов, таких как никель, повышает его стоимость.