Magnetismus – Teil 2: Ferrite, magnetische Größen und Einheiten

Ferrite

Ferrite sind elektrisch schlecht oder nicht leitende ferrimagnetische, keramische Werkstoffe aus dem Eisenoxid Hämatit (Fe2O3), so wie manchmal auch aus Magnetit (Fe3O4) und aus anderen Metalloxiden. Ferrimagnetismus unterscheidet sich vom Ferromagnetismus durch die magnetische Ordnung der Elementarmagneten, dabei kann die Anordnung der Weiss-Bezirke durchaus gleich sein.

Eigenschaften

Es wird zwischen weich- und hartmagnetischen Ferriten unterschieden. Weichmagnetische Ferrite besitzen eine möglichst geringe Koerzitivfeldstärke, hartmagnetische Ferrite eine möglichst hohe. Als magnetische Koerzitivfeldstärke HC (H für die magnetische Feldstärke und c für coercivity von lateinisch coercere = bändigen, zusammenhalten) bezeichnet man die magnetische Feldstärke, die notwendig ist, um einen vorher bis zur Sättigung aufgeladenen, ferromagnetischen Stoff vollständig zu entmagnetisieren. Je größer die Koerzitivfeldstärke ist, desto höher ist der Restmagnetismus (die Remanenz). Die Unterscheidung von weich- oder hart-magnetischen Werkstoffen lässt sich mit Hilfe der Hysteresekurven grafisch darstellen. Weichmagnetische Ferrite sollten möglichst leicht magnetisierbar bzw. ummagnetisierbar sein, was einer schmalen Hysteresekurve entspricht (Bild 2). Ferrite sind, wie alle keramischen Werkstoffe, hart und spröde und daher bruchgefährdet.

Anwendung

Weichmagnetische Ferrite werden in der Elektrotechnik als Ferritkerne („Eisenkerne“), z. B. in Transformatoren, Schaltnetzteilen oder Spulen eingesetzt. Da sie elektrisch kaum leitfähig sind und daher nahezu keine Wirbelstromverluste auftreten, sind sie auch für hohe Schaltfrequenzen (bis zu einigen Megahertz) geeignet. Die vorzugsweise eingesetzten Materialien für weichmagnetische Ferritkerne sind:

• Mangan-Zink-Ferrite (MnZn) in der Zusammensetzung MnaZn(1-a)Fe2O4,
• Nickel-Zink-Ferrite (NiZn) in der Zusammensetzung NiaZn(1-a)Fe2O4.

Hartmagnetische Ferrite (schwarze Blöcke), werden als kostengünstige Dauermagnete eingesetzt. Die üblichen hart-magnetischen Ferrite sind:

• Strontium-Ferrite in der Zusammensetzung SrFe12O19,
• Cobalt-Ferrite in der Zusammensetzung CoFe2O4,
• Barium-Ferrite in der Zusammensetzung BaFe12O19. Barium-Ferrite sind vergleichsweise robust gegenüber äußeren Einflüssen.

Herstellung

Ferrite werden mit Hilfe eines Sinterprozesses hergestellt. Sintern ist ein Verfahren zur Herstellung oder Veränderung von Werkstoffen. Dabei werden feinkörnige keramische oder metallische Stoffe – vorzugsweise unter hohem Druck – erhitzt, wobei die Temperaturen jedoch unterhalb der Schmelztemperatur der Hauptkomponenten bleiben, so dass die Gestalt (Form) des Werkstückes erhalten bleibt. Es findet eine Art „Verbacken“ statt und damit kann eine hohe mechanische Festigkeit erreicht werden. Besonders vorteilhaft ist dieses Verfahren auch in Hinblick auf die Herstellung spezieller Formen, hier sind z. B. auch Hinterschneidungen möglich. Kalzination: Hartmagnetische Ferrite werden durch eine chemische Reaktion, die Kalzination, aus den Ausgangsstoffen Eisen (III)-oxid und Barium- bzw. Strontiumcarbonat hergestellt. Anschließend wird das Reaktionsprodukt möglichst fein gemahlen (Einbereichsteilchen, Weiss-Bezirke, Korngröße 1 bis 2 μm) und zu Presslingen geformt, getrocknet und gesintert. Bildungsreaktion: Weichmagnetische Ferrite werden ebenfalls vorgesintert (Bildungsreaktion), gemahlen 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.

Größen und Einheiten des Magnetismus

Die Größen und Einheiten des Magnetismus sind in der Regel den praktisch tätigen Elektrofachkräften nicht so geläufig, wie die elektrotechnischen Größen und Einheiten. Dennoch gibt es viele Berührungspunkte zwischen beiden physikalischen Disziplinen, speziell im Bereich des Elektromagnetismus (siehe nächste Beitragsfolge). Als wichtige Größen des Magnetismus sind zu nennen:

• magnetische Durchflutung Θ
• magnetische Feldstärke H
• magnetischer Fluss Φ
• magnetische Flussdichte B

Magnetische Durchflutung

Um einen stromdurchflossenen Leiter (Draht) bildet sich durch Elektronenbewegung ein Magnetfeld aus. Liegen, wie bei einer Spule, die stromdurchflossenen Leiter nebeneinander, steigt die magnetische Durchflutung mit der Anzahl der Spulenwindungen. Die Summe der Ströme durch die Leiter nennt man dann magnetische Durchflutung Θ (Theta).Da die magnetische Durchflutung für das magnetische Feld verantwortlich ist und die elektrische Spannung in einem Stromkreis den elektrischen Strom auslöst, wird sie auch als magnetische Urspannung bezeichnet. Zeichen: Das Formelzeichen der magnetischen Durchflutung stammt aus dem griechischen Alphabet und ist das große Theta Θ.
Einheit. Die Einheit der magnetischen Durchflutung ist Ampere (A) bzw. Amperewindungen (AW). („W“ für Windungszahl ist einheitslos!)
Formel. Zur Berechnung der magnetischen Durchflutung nutzt man den folgenden Zusammenhang: magnetische Durchflutung = Stromstärke ∙ Windungszahl Θ = I ⋅ N Bild 2, rechts: Weichmagnetische Hysteresekurve mit schmaler, kleinflächiger Hystereseschleife
B – magnetische Flussdichte in T
H – magnetische Feldstärke in A/m
(Bild: K.-H. Bleiß/ep)Autor: K.-H. Bleiß Der vollständige Beitrag ist in unserem Facharchiv nachzulesen.