離子、磁性與光學陶瓷

軟磁鐵氧體(soft ferrite)

當磁性工程師說一種材料是「軟」的,他們並不是指它摸起來軟——軟磁鐵氧體其實是硬而脆的陶瓷。他們指的是磁性上軟:易於磁化、也同樣易於去磁,所以它的磁化會隨外加磁場來回翻轉、磁場一撤就不再停留。想像一支能自由轉動、隨風向擺動、從不卡住的風向標——那就是軟磁。軟磁鐵氧體正是藏在變壓器、電感與扼流圈裡看不見的磁芯。

用磁滯迴線(hysteresis loop,磁化對外加磁場的曲線)的語言來說,軟磁鐵氧體有一個非常窄而高的迴線:高導磁率(小磁場就能產生大磁化)與低矯頑力(幾乎不需磁場就能使它反轉)。兩員主力是錳鋅(MnZn)鐵氧體,導磁率極高、用到約 1 兆赫;以及鎳鋅(NiZn)鐵氧體,電阻率較高,能從兆赫工作到數百兆赫。兩者都是尖晶石結構。它們珍貴的特質是低損耗:窄迴線每個磁化週期浪費的能量很少,而氧化物的高電阻率又壓制渦電流,於是通過磁芯的能量幾乎沒有轉為熱耗散。

這種低損耗,正是軟磁鐵氧體出現在每一處必須在高頻轉換或濾波電流之地的原因:每個切換式電源與手機充電器裡的小變壓器、把電源漣波撫平的電感、夾在纜線上勒住電磁干擾的磁珠、無線充電器裡的線圈,以及天線棒。把損耗做低是一門顯微組織的工藝——大而均勻的晶粒、極低的孔隙率、仔細控制的晶界化學,都能降低它。誠實的極限:每一種鐵氧體都有一個居里溫度,超過它就完全失去磁性;而當頻率與磁通被推得更高,損耗也會陡然攀升。

在手機充電器裡,一個硬幣大小的 MnZn 鐵氧體變壓器每秒切換其磁化數萬次。由於這鐵氧體磁性軟、電性又近乎絕緣,每次翻轉耗費的能量都極少,所以變壓器在降壓的同時保持涼爽。

軟磁鐵氧體會順從地跟著磁場走、磁場一撤就立刻放手——正適合每秒切換數百萬次的磁芯。

這裡的「軟」與「硬」描述的是磁性行為、而非機械硬度——軟磁與硬磁鐵氧體都是脆性陶瓷。軟磁鐵氧體之所以是差勁的永久磁鐵,正因為它太容易放掉磁化;這對磁芯是優點、對冰箱磁鐵卻是缺點。

又称
MnZn ferriteNiZn ferritesoft magnetic ferrite軟磁肥粒鐵錳鋅鐵氧體鎳鋅鐵氧體