離子、磁性與光學陶瓷

鐵氧體/肥粒鐵(ferrite)

/ FAIR-ite /

鐵氧體(ferrite,台灣亦稱肥粒鐵)是一種陶瓷磁鐵:一種以氧化鐵為基底、既有磁性又同時是電絕緣體的陶瓷。冰箱上那塊黑色小磁鐵、手機充電器裡的環形磁芯、老收音機裡的棒狀天線——全都是鐵氧體。它們的特別之處在於:不像鐵棒磁鐵,鐵氧體幾乎不導電,所以變動的磁場無法在其內部激起浪費能量的迴旋電流(渦電流,eddy current)。這正是為何當磁性必須在高頻工作時,工程師會選陶瓷而非金屬。

鐵氧體的磁性來自一種稱為亞鐵磁性(ferrimagnetism)的機制。它們在不同晶格位置上含有兩組磁性離子,其磁矩指向相反卻不相消,因為其中一組比另一組更強或更多——於是留下淨磁化。主要的結構家族有:尖晶石鐵氧體,組成 M-Fe2O4,M 為二價金屬如錳、鎳或鋅(軟磁);六方鐵氧體如鋇六方鐵氧體 BaFe12O19(硬永久磁鐵);以及石榴石如釔鐵石榴石(微波材料)。由於它們是氧化物,電阻率極大——約從 10^2 到 10^8 歐姆-公分,相對於金屬鐵約 10^-5,差距達百億倍以上。

正是這種組合——既有用地具磁性、又電絕緣——讓鐵氧體默默地運轉整個高頻世界:電源供應器裡的變壓器與電感磁芯、無線充電器裡的線圈、天線棒、纜線上的雜訊抑制磁珠、馬達與喇叭裡的廉價永久磁鐵,以及非互易的微波元件。對任何從冶金背景來的人,一個關鍵的釐清:在鋼鐵科學裡,「ferrite(肥粒鐵)」指的是體心立方的 alpha-鐵相,是完全不同的東西。在陶瓷裡,ferrite 永遠是這裡描述的氧化鐵磁性陶瓷。

在鐵氧體環上繞一圈線圈,你就有了一個能在數百千赫下乾淨運作的電感。若換成實心鐵環,在那個頻率下,金屬內部迴旋的渦電流會使它發熱、浪費大半能量。鐵氧體那近乎絕緣的氧化物本體,正是讓磁性能跟上快速變化的電流而不生此類損耗的原因。

鐵氧體像金屬一樣有磁性、卻像陶瓷一樣絕緣——這在高頻工作上兼得兩者之長。

別把陶瓷鐵氧體與鋼中冶金學的「肥粒鐵」(alpha-鐵)混為一談——同一個字、不相干的材料。並注意鐵氧體是亞鐵磁性、而非鐵磁性:它們的淨磁性來自兩個相反、不相等的次晶格,因此飽和磁化低於金屬鐵。

又称
ceramic magnetmagnetic ceramic磁性陶瓷陶瓷磁鐵