Los ferriimanes son materiales en los que los momentos magnéticos de los átomos de diferentes subredes están orientados en forma antiparalela, como en los antiferromagnetos , pero los momentos de las diferentes subredes no son iguales y, por lo tanto, el momento resultante no es igual a cero. Los ferriimanes se caracterizan por una magnetización espontánea. Diferentes subredes en ellos consisten en diferentes átomos o iones, por ejemplo, pueden ser diferentes iones de hierro, Fe 2+ y Fe 3+ . Algunas aleaciones de metales ordenados tienen las propiedades de los ferrimagnetos, pero principalmente varios compuestos de óxido, entre los cuales las ferritas son las de mayor interés práctico .
Los ferriimanes tienen una estructura de dominio que consta de dos o más subredes acopladas antiferromagnéticamente (antiparalelas). Dado que las subredes están formadas por átomos ( iones ) de varios elementos químicos o por un número desigual de ellos, tienen momentos magnéticos de diferente magnitud, dirigidos antiparalelos. Como resultado, aparece una diferencia distinta de cero en los momentos magnéticos de las subredes, lo que conduce a la magnetización espontánea del cristal. Por lo tanto, los ferrimagnetos pueden considerarse como antiferromagnetos no compensados (sus momentos magnéticos de los átomos no están compensados). Estos materiales obtuvieron su nombre de las ferritas, los primeros antiferromagnetos no compensados, y el magnetismo de las ferritas se denominó ferrimagnetismo. En las ferritas, la estructura del dominio, como en los ferroimanes, se forma a temperaturas por debajo del punto de Curie . Todas las características magnéticas introducidas para los ferroimanes son aplicables a las ferritas. A diferencia de los ferroimanes, tienen una alta resistividad, una inducción de saturación más baja y una dependencia de la inducción con la temperatura más compleja. El ferromagnetismo en los metales se explica por la presencia de interacción de intercambio , que se forma entre átomos en contacto, así como por la orientación mutua de los momentos magnéticos de espín. En los ferrimagnetos, los momentos magnéticos de los iones están orientados en forma antiparalela y la interacción de intercambio no ocurre directamente, sino a través del ion de oxígeno О 2− . Esta interacción de intercambio se denomina intercambio indirecto o sobreintercambio. Aumenta a medida que el ángulo intermedio se acerca de 0° a 180°.
materiales ferrimagnéticos
Actualmente, se presta mucha atención a las ferritas . Las ferritas se derivan de la magnetita a, un imán permanente natural conocido a lo largo de la historia humana. El mineral natural, óxido de hierro o magnetita Fe 3 O 4 , se conoce desde hace mucho tiempo como uno de los materiales magnéticos. Teniendo en cuenta la baja conductividad eléctrica de la magnetita (100 Ohm⋅cm), S. Gilbert (Alemania) ya en 1909 sugirió su uso en circuitos magnéticos de alta frecuencia. Sin embargo, debido a las malas propiedades magnéticas y, sobre todo, a la baja permeabilidad magnética , las ferritas de hierro no han encontrado un uso práctico; además, la propia técnica de las altas frecuencias dio sus primeros pasos en esos años. Solo después de una intensa investigación, iniciada en Holanda en 1933, fue posible mejorar significativamente las características de las ferritas y organizar su introducción generalizada en la tecnología.
En 1936, el laboratorio Philips inició la investigación científica en esta dirección. Al final de la Segunda Guerra Mundial, gracias a la investigación fundamental de J. Snoek en Holanda, se desarrollaron varias ferritas magnéticas blandas sintéticas con una permeabilidad magnética inicial de 10 3 [10.27].
En la URSS, los pioneros en el desarrollo de ferritas fueron equipos de científicos encabezados por GA. Smolensky, N. N. Scholz, K. A. Piskarev, S. V. Vonsovsky, K. M. Polivanov, S. A. Medvedev, K. P. Belov, E. I. Kondorsky, R. V. Telesnin, Ya. S. Shur, T. M. Perekalina, I. I. Yamzin, L. I. Rabkin, A. I. Obraztsov y muchos otros [10.30, 10.31, 10.33].
Para obtener una alta permeabilidad magnética de las ferritas pertenecientes al grupo de materiales policristalinos con red cúbica centrada en las caras, es necesario esforzarse en reducir las tensiones intraestructurales y la anisotropía cristalina. En otras palabras, la magnetoestricción y la constante de anisotropía cristalográfica deben ser cercanas a cero. La investigación ha encontrado que si se forma una solución cristalina sólida de óxido de hierro Fe 2 O 3 con un aditivo no magnético, entonces el punto de Curie se puede desplazar a una región cercana a la temperatura ambiente y, por lo tanto, la permeabilidad magnética se puede aumentar considerablemente en el rango de temperatura de funcionamiento. Como componente no magnético, el óxido de zinc resultó ser el más adecuado, ya que la ferrita de zinc no cristaliza en forma magnética inversa, sino en forma de espinela normal no magnética. En los años siguientes, se desarrolló un gran grupo de ferritas magnéticas blandas para varios rangos de frecuencia mediante la adición de zinc y níquel o zinc y manganeso. En comparación con el níquel-zinc, las ferritas de manganeso-zinc tienen mayor permeabilidad magnética y magnetización de saturación. Junto con esto, la tangente de pérdidas dieléctricas aumenta más rápido para las ferritas de manganeso-zinc a partir de una frecuencia de alrededor de 1 MHz; la razón de este fenómeno es el cambio hacia frecuencias más bajas de la frecuencia de corte giromagnético, un aumento en el tamaño de grano de la estructura y una disminución en la resistividad eléctrica del material. Por lo tanto, en bobinas de alta calidad, las ferritas de manganeso y zinc se utilizan solo para operar a frecuencias de hasta 2 MHz, y para operar a frecuencias de hasta 300 MHz, los núcleos están hechos de ferritas de níquel y zinc, que también tienen un policristalino cúbico. estructura, pero menor permeabilidad magnética.
Las ferritas de tierras raras con estructura de granate han ocupado el mismo lugar importante en la tecnología que las ferritas con estructura de espinela. La fórmula para los granates se puede escribir de la siguiente manera: Me 3 Fe 5 O 12 , donde Me denota un ion metálico de tierras raras. El estudio de los granates de tierras raras se vio obstaculizado por el hecho de que su estructura se atribuyó al tipo de perovskita distorsionada. En los años 50, X. Forestier y G. Guyot-Guillén (Francia) prepararon varios compuestos de la clase Fe 2 O 3 Me 2 O 3 , donde Me denota lantano, praseodimio, neodimio, samario, erbio, itrio, gadolinio, tulio, disprosio e iterbio. Descubrieron que la magnetización de saturación de estos compuestos es algo menor que la magnetización de saturación de la ferrita de níquel, y que hay dos temperaturas de Curie, por encima de 400 °C y alrededor de 300 °C, en las que la magnetización es cero. Uno de estos "puntos de Curie" es la temperatura de compensación característica de algunos granates ferrimagnéticos. G. Guillot creía que este material tenía una estructura cúbica de tipo perovskita y estableció una correspondencia entre las temperaturas de Curie y los diámetros de los iones metálicos. En 1954, R. Potenay y X. Forestier (Francia) publicaron datos adicionales sobre la dependencia de la temperatura de la magnetización para ferritas de gadolinio, disprosio y erbio. E. F. Berto y D. Forra (Francia) en 1956 examinaron el sistema Fe 2 O 3 Me 2 O 3 con más detalle y sugirieron la presencia de una nueva estructura para esta clase de materiales. Esta estructura consta de celdas elementales cúbicas que contienen ocho unidades de fórmula 5Re 2 O 3 3Me 2 O 3 .
Esta estructura resultó ser isomorfa con el granate natural clásico Ca 3 Fe 2 Si 3 O 12 . L. Néel, F. Berto, D. Forra y R. Potenay (Francia) llamaron a este nuevo grupo de materiales ferrimagnéticos granates de tierras raras.
En 1958-1970. D. Geller y A. Gileo (EE. UU.), A. G. Titova, V. A. Timofeeva y N. D. Ursulyak (URSS) continuaron estudiando la estructura del granate y las propiedades ferrimagnéticas del granate de itrio. Este compuesto resultó ser el representante más importante de esta clase de sustancias. Dichos materiales demostraron ser indispensables en los dispositivos de microondas.