Este artigo é dedicado a explicar detalhes sobre o material ferrite, muito utilizado em indutores.
Vamos começar com uma breve introdução sobre os ferrites.
Imagem 1 - Os indutores toroidais também podem ser feitos com Ferrite
A Ferrita (português brasileiro) ou Ferrite (português europeu), ou "Ferro Alfa" (α-Fe), é um termo de Ciência e Tecnologia dos materiais (CTM) para o Ferro puro com estrutura cristalina cúbica de corpo centrado. É esta estrutura cristalina que dá ao Aço e ao Ferro Fundido as suas propriedades magnéticas, sendo o exemplo clássico de um material ferromagnético.
CURIOSIDADE: Para saber mais sobre o elemento químico Ferro, suas fases cristalinas, as diversas ligas em que ele é o elemento base, a diferença entre "Aço" e "ferro fundido" e diversos exemplos de uso, CLIQUE AQUI!
Para além de uma simples fase cristalina das ligas feitas a base do elemento químico Ferro, o Ferrite também se tornou sinônimo de algumas ligas cerâmicas ferromagnéticas (podem ser magnetizados ou atraídos por ímãs) feitas com óxidos metálicos. Eles podem ser criados em laboratório ou podem ser encontrados diretamente na natureza, como é o caso da Magnetita.
CURIOSIDADE: Pode-se dizer que o primeiro Ferrite utilizado pelos seres Humanos foi a Magnetita, encontrada na natureza e utilizada em bússolas na época das grandes navegações.
Minerais de magnetita que contêm de 3,8% a 6,3% de manganês são denominados manganomagnetita, e quando está associada com o Corindon (mineral a base de Óxidos de Alumínio) é conhecida como 'esmeril'. A magnetita, quando aquecida a uma temperatura superior a 550 °C, adquire a estrutura da hematita (Fe2O3).
Uma transformação de fase extraordinariamente complexa, descoberta na década de 1940, conhecida como transição de Verwey mostrou que a magnetita pode altarar sua estrtura cristalina ao ponto de se tornar um material isolante quando a temperatura é reduzida abaixo de 125 Kelvins.
Pra início de conversa, os Ferrites industrializados são materiais cerâmicos cujo componente principal é o Óxido de Ferro, que é combinado com outros Óxidos metálicos num complexo processo de sinterização.
Mas o que é cerâmica? O que é sinterização? Já parou pra pensar?
Para saber como os elementos químicos da Tabela Periódica são utilizados na produção de cerâmica e como ocorre esta produção, CLIQUE AQUI e CLIQUE AQUI!
No final do século XIX, se teve o desenvolvimento científico e tecnológico necessário para a a consolidação das principais ligas feitas de Ferrite e dos processos produtivos deste material nos anos 1930 e 1940, o que originou uma nova indústria que cresceu muito devido a expansão da tecnologia e do comércio de eletrônicos nos anos 1960.
O Ferrite pode ser dividido em duas categorias baseado em sua coercividade: os Macios e os Duros.
-> Os Ferrites Duros tem uma alta coercividade e por isso são difíceis de desmagnetizar. Eles costumam ser utilizados em ímãs de sistemas de refrigeração e também em alto-falantes. Neste material é utilizado Ferro misturado com metais duros, tais como o Cobalto, Bário e Estrôncio.
-> Os Ferrites Moles (ou Macios) possuem uma coercividade baixa, tendo então poucas perdas ao magnetizar e desmagnetizar o material, o tornando excelentes para aplicações em eletrônica de potência. Eles são feitos de Ferro misturado à materiais leves, isto é, Manganês, Zinco ou Níquel.
Imagem 2 - Indutores SMD com núcleo de Ferrite
Quanto as propriedades magnéticas, os Ferrites possuem uma cadeia cristalina muito grande, onde os átomos de metais ocupam posições muito bem definidas em relação aos átomos de Oxigênio. Os Macios possuem geralmente, uma estrutura cúbica do tipo espinélio e com fórmula genérica "MeFe2O4", onde o "Me" representa um ou mais metais de transição, podendo ser Zinco, Cobre, Níquel, Cobalto, Ferro ou Manganês.
Imagem 3 - chapas de Ferrite atraindo outros componentes metálicos
Observe o desenho abaixo com a estrutura cúbica do tipo espinélio que foi mencionada no texto:
Diagrama 1
Os Ferrites Macios feitos à base de Níquel-Zinco e os feito de Manganês-Zinco são os mais comuns e são detalhados a seguir:
Ferrite de Níquel - Zinco
Os de Ní-Zn oferecem uma alta resistividade elétrica e uma permeabilidade magnética "moderada". A permeabilidade magnética deste material pode variar de 15 à 1.500. Por possuir estas características, o Ferrite Ni-Zn pode ser empregado em circuitos de alta frequência, acima dos 2 Mhz até centenas de Mhz.
CURIOSIDADE: Em rádio frequência e supressão de sinal elétrico do ambiente, os Ferrites são mais eficazes em larguras de banda acima de 100 Mhz. Nessas faixas de frequência, o indutor pode substituir o capacitor, que começa a dar problemas de ressonância do circuito na filtragem de sinais acima de 75 Mhz. Os indutores podem ser projetados para impedir baixas frequências, normalmente inferiores a 10 Mhz, tornando o Ferrite excelente para aplicações de filtragem de ruídos em corrente alternada e corrente contínua.
Os Ferrites Ni-Zn são muito bons para a construção de componentes, pois como foi dito possuem uma alta resistência e são 'moles', isto é, não retém o magnetismo, portanto não trazem muitas perdas.
CURIOSIDADE: Ferrites de Ni-Zn são utilizados em núcleos de indutores de modo diferencial. Adicionando um "gap" no caminho magnético, este tipo de Ferrite oferece bom desempenho em filtros de saída. Eles também podem ser utilizados em transformadores de corrente de alta frequência.
Ferrites de Manganês-Zinco
Os de Mn-Zn possuem uma baixa resistividade elétrica se comparado com os de Ni-Zn, no enatnto, são fáceis de serem encontrados no mercado. Eles possuem uma alta permeabilidade magnética, que varia de 750 à 30.000.
Em transformadores de fontes automotivas e transformadores de potência, como por exemplo flybacks, os Ferrites mais utilizados são os com média permeabilidade magnética (próximo dos 2.500).
Estes Ferrites são comumente utilizados em aplicações de até 2 Mhz. Podemos citar como exemplo de aplicações de Ferrites Mn-Zn as fontes chaveadas (não são muito recomendados), transformadores de corrente e indutores de modo comum. As principais vantagens em comparação com o Aço-Elétrico são as baixas perdas e o bom resultado por se conseguir reduzir o tamanho e aumentar o rendimento dos componentes.
CURIOSIDADE: Ferrites de Mn-Zn de alta permeabilidade magnética (acima dos 5.000) são ideais para indutores de modo comum. A principal vantagem é conseguir indutâncias maiores utilizando menos espiras, diminuindo o tamanho do indutor e os custos por utilizar menos fio de Cobre na bobina. Em fontes chaveadas não são muito recomendados, pois apresentam maiores perdas e o volume ocupado por um componente com núcleo de Ferrite Mn-Zn é quase o mesmo volume ocupado por um componente com núcleo de Ni-Zn.
Neste tópico trago algumas aplicações para o Ferrite bastante específicas...
Um anel de Ferrite pode ser utilizado num cabo para protege-lo de interferências eletromagnéticas. Isso é comum em cabos que transferem sinais de vídeo, como por exemplo o VGA, HDMI, DVI, DisplayPort. Próximo às extremidades do cabo há um trecho mais grosso, onde está um anel ferromagnético encapado. Esta capa de polímero termo-retrátil tem o objetivo de protege-lo, já que ele é quebradiço e pode estar suscetível a choques mecânicos.
Veja abaixo a imagem de um isolante magnético de Ferrite num cabo de dados:
Imagem 4
Nos cabos USB também pode haver um anel de Ferrite. Em mouses e teclados, este anel pode estar dentro do dispositivo. Abaixo, a imagem da placa de um mouse com os fios da interface USB enrolados em um anel de Ferrite próximo à placa:
Imagem 5 - Em alguns aparelhos o anel de Ferrite está dentro do aparelho
No mouse, teclado e alguns outros dispositivos, a capa de plástico não é adicionada, pois o anel está preso no cabo na parte interna do aparelho, não necessitando de proteção especial.
Cabos de vela de automóveis podem ter um núcleo de Kevlar revestido com borracha impreganada com partículas ferromagnéticas, funcionando também como supressor de ruídos. Para saber mais sobre cabos de vela, CLIQUE AQUI!
Este foi uma breve descrição sobre o Ferrite, muito utilizado em indutores e bobinas em geral.
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FONTES e CRÉDITOS
Texto: Leonardo Ritter
Imagens: Google Imagens
Fontes: Mecânica Industrial (site); IMAshop; Magmattec.
Ultima atualização: 23 de Janeiro de 2023.