फेराइट (चुंबक)

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फेराइट चुंबक का ढेर

एक फेराइट एक सिरेमिक सामग्री है जो बड़ी मात्रा में लोहे (III) ऑक्साइड Fe2O3, जंग के बड़े अनुपात को मिलाकर एक या एक से अधिक अतिरिक्त धात्विक तत्वों, जैसे स्ट्रोंटियम, बेरियम, मैंगनीज, निकल और जस्ता के छोटे अनुपात के साथ मिश्रित करके बनाई जाती है।[1] वे फेरीचुम्बकत्व के रूप में होती है, जिसका अर्थ है कि उन्हें चुम्बकित किया जा सकता है या चुंबक की ओर आकर्षित किया जा सकता है। अन्य लौह-चुंबकीय सामग्रियों के विपरीत, अधिकांश फेराइट विद्युत विद्युत चालक नहीं होते हैं, जो उन्हें ट्रांसफार्मर के लिए चुंबकीय कोर जैसे अनुप्रयोगों में एड़ी धाराओं को दबाने के लिए उपयोगी होते हैं।[2] फेराइट्स को उनके प्रतिरोध के आधार पर दो समूहों में विभाजित किया जा सकता है।

हार्ड फेराइट्स में उच्च निग्राहिता (कोरसीवीटी) होती है, इसलिए इसे विचुंबकित करना कठिन होता है। इसका उपयोग रेफ्रिजरेटर चुंबक, लाउडस्पीकर और छोटे बिजली की मोटर जैसे अनुप्रयोगों के लिए स्थायी चुंबक बनाने के लिए किया जाता है।

नरम फेराइट्स में कम निग्राहिता होती है, इसलिए वे आसानी से अपने चुंबकीयकरण को बदलते हैं और चुंबकीय क्षेत्र के संवाहक के रूप में कार्य करते हैं। उनका उपयोग इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग में कुशल चुंबकीय कोर बनाने के लिए किया जाता है जिसे उच्च आवृत्ति प्रेरकों, ट्रांसफार्मर और एंटीना (रेडियो) और विभिन्न माइक्रोवेव घटकों के लिए फेरेट कोर कहा जाता है।

फेराइट यौगिक बेहद कम लागत वाले होते हैं, जो अधिकतर आयरन ऑक्साइड से बने होते हैं, और इनमें उत्कृष्ट संक्षारण प्रतिरोध होता है। टोक्यो इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के योगोरो काटो और ताकेशी टेकी ने 1930 में पहले फेराइट यौगिकों को संश्लेषित किया था।[3]

संघटन, संरचना और गुण

फेराइट्स सामान्यतः लोहे के आक्साइड से प्राप्त फेरी चुम्बकत्व सिरेमिक यौगिक होते हैं।[4] मैग्नेटाइट (Fe3O4) महत्वपूर्ण उदाहरण के रूप में होते है। अन्य सिरेमिक की तरह, फेराइट कठोर, भंगुर और खराब विद्युत चालकता वाले होते हैं।

कई फेराइट स्पिनेल समूह संरचना को रासायनिक सूत्र AB2O4, के साथ स्वीकार करते है, जहां A और B विभिन्न धातु के फैटायनों का प्रतिनिधित्व करते हैं, जिनमें सामान्यतः लोहा (Fe) सम्मलित होता है। स्पिनल फेराइट्स सामान्यतः क्यूबिक क्लोज-पैक्ड (एफसीसी) ऑक्साइड (o2−) A धनायनों के साथ चतुष्फलकीय छिद्रों के एक आठवें भाग पर और B धनायनों के आधे अष्टफलकीय छिद्रों के रूप में होते है जैसे, A2+
B3+
2O2−
4.के रूप में दर्शाता है

फेराइट क्रिस्टल साधारण स्पिनल संरचना को नहीं स्वीकार करते है, अपितु उलटा स्पिनल संरचना को को अपनाते हैं टेट्राहेड्रल छिद्रों के आठवें भाग पर B धनायन के रूप में होता है, ऑक्टाहेड्रल समूह के एक चौथाई पर A धनायन के रूप में होता है। और दूसरा एक चौथाई B धनायनका के द्वारा होता है। सूत्र [M2+1−δFe3+δ][M2+δFe3+2−δ]O4 के साथ मिश्रित संरचना स्पिनल फेराइट्स होना संभव होता है, जहां δ व्युत्क्रम की डिग्री होती है।

ZnFe नामक चुंबकीय पदार्थ का सूत्र ZnFe2O4, के रूप में होता है जिसमें Fe3+ ऑक्टाहेड्रल साइटों और Zn पर कब्जा कर लिया2+ टेट्राहेड्रल साइटों पर कब्जा कर लेता है, यह सामान्य संरचना स्पिनल फेराइट का एक उदाहरण होती है।[5][page needed]

कुछ फेराइट षट्कोणीय क्रिस्टल संरचना को स्वीकार करते है, जैसे बेरियम और स्ट्रोंटियम फेराइट्स BaFe12O19 (BaO:6Fe2O3) and SrFe12O19 (SrO:6Fe2O3) के रूप में होते है[6]

उनके चुंबकीय गुणों के संदर्भ में, विभिन्न फेराइट्स को अधिकांशतः नरम, अर्ध-कठोर या कठोर रूप में वर्गीकृत किया जाता है, जो निम्न या उच्च चुंबकीय दबाव को संदर्भित करता है निम्नानुसार जैसे।

शीतल फेराइट्स

छोटे ट्रांसफॉर्मर और इंडिकेटर्स बनाने के लिए विभिन्न फेराइट कोर का उपयोग किया जाता है

ट्रांसफॉर्मर या विद्युत चुंबकत्व कोर में उपयोग किए जाने वाले फेराइट्स में निकेल, जिंक या मैंगनीज यौगिक होते हैं।[7] शीतल फेराइट स्थायी चुम्बक नहीं होते हैं। उनमें बिल्कुल हल्के स्टील की तरह चुम्बकत्व होता है, लेकिन जब चुम्बकीय क्षेत्र को हटा दिया जाता है, तो चुम्बकत्व कम हो जाता है। शीतल फेराइट्स का उपयोग सामान्यतः वोल्टेज को प्राथमिक से द्वितीयक वाइंडिंग में बदलने के लिए ट्रांसफार्मर के रूप में किया जाता है। परिणाम स्वरुप शीतल फेराइट्स को ट्रांसफॉर्मर फेराइट्स भी कहा जाता है। उनमें कम कोरसीवीटी होती है। कम कोरसीवीटी का मतलब है कि सामग्री का चुंबकीयकरण बहुत अधिक ऊर्जा हिस्टैरिसीस क्षति को नष्ट किए बिना आसानी से दिशा को परिवर्तित कर सकता है, जबकि सामग्री की उच्च प्रतिरोधकता ऊर्जा हानि के एक अन्य स्रोत, कोर में एड़ी धाराओं को रोकती है। उच्च आवृत्तियों पर उनके तुलनात्मक रूप से कम नुकसान के कारण, वे बड़े पैमाने पर आकाशवाणी आवृति ट्रांसफॉर्मर और इंडक्टर्स के कोर में स्विच्ड-मोड बिजली की आपूर्ति और एएम रेडियो में उपयोग किए जाने वाले लूपस्टिक एंटेना जैसे अनुप्रयोगों में उपयोग किए जाते हैं।

सबसे आम नरम फेराइट्स हैं:[6]

  • मैंगनीज-जिंक फेराइट (MnZn, सूत्र के साथ MnaZn(1-a)Fe2O4 में MnZn में NiZn की तुलना में उच्च पारगम्यता और संतृप्ति प्रेरण के रूप में होती है।
  • निकेल-जिंक फेराइट (NiZn, सूत्र के साथ NiaZn(1-a)Fe2O4). NiZn फेराइट्स MnZn की तुलना में उच्च प्रतिरोधकता प्रदर्शित करते हैं, और इसलिए 1 मेगाहर्ट्ज से ऊपर की आवृत्तियों के लिए अधिक उपयुक्त होते है।

5 मेगाहर्ट्ज से नीचे के अनुप्रयोगों के लिए, MnZn फेराइट्स का उपयोग किया जाता है, उसके ऊपर, NiZn सामान्य रूप में विकल्प होते है। अपवाद सामान्य मोड इंडिकेटर्स के साथ है जहां पसंद की सीमा 70 मेगाहर्ट्ज पर होती है।[8]

सेमी-हार्ड फेराइट

  • कोबाल्ट फेराइट, CoRe2O4 (CoO·Fe2O3), नरम और कठोर चुंबकीय सामग्री के बीच में होती है और इसे सामान्यतः अर्ध-कठोर सामग्री के रूप में वर्गीकृत किया जाता है।[9] यह मुख्य रूप से सेंसर और एक्चुएटर्स जैसे चुंबकीय विरूपण अनुप्रयोगों के लिए उपयोग किया जाता है [10] इसकी उच्च संतृप्ति चुंबकीय विरूपण (~ 200 पीपीएम) के लिए मान्य होता है। CoFe2O4 में दुर्लभ अर्थ मुक्त होने के भी लाभ होते है, जो इसे टेरफेनोल-डी का एक अच्छा विकल्प बनाता है।[11] इसके अतिरिक्त इसके चुंबकीय विरूपण गुणों को एक चुंबकीय यूनिसेक्सियल अनिसोट्रॉपी को प्रेरित करके ट्यून किया जा सकता है।[12] यह चुंबकीय एनीलिंग द्वारा किया जा सकता है,[13] चुंबकीय क्षेत्र सहायक संघनन,[14] या एक अक्षीय दबाव के अनुसार प्रतिक्रिया करता है।[15] इस अंतिम समाधान में स्पार्क प्लाज्मा सिंटरिंग के उपयोग के लिए अल्ट्रा फास्ट 20 मिनट होने का लाभ होता है। कोबाल्ट फेराइट में प्रेरित चुंबकीय अनिसोट्रॉपी समग्र में मैग्नेटोइलेक्ट्रिक प्रभाव को बढ़ाने के लिए फायदेमंद होता है।[16]

हार्ड फेराइट्स

इसके विपरीत स्थायी फेराइट चुंबक कठोर फेराईट से बने होते हैं, जिनमें चुंबकीयकरण के बाद उच्च दृढ़ता और उच्च शोधन होता है। हार्ड आक्साइड एवं बेरियम कार्बोनेट या स्ट्रोंटियम कार्बोनेट का प्रयोग कठोर फेराइट चुम्बकों के निर्माण में किया जाता है[17][18] उच्च कोरसीवीटी का अर्थ है कि सामग्री विचुंबकित होने के लिए बहुत प्रतिरोधी होते हैं जो स्थायी चुंबक के लिए एक आवश्यक गुण के रूप में होते है। वे उच्च चुंबकीय पारगम्यता के रूप में होते है। ये सिरेमिक चुंबक सस्ते होते हैं और घरेलू उत्पादों जैसे फ्रिज चुंबक में इनका व्यापक उपयोग किया जाता है। अधिकतम चुंबकीय क्षेत्र B लगभग 0.35 टेस्ला (यूनिट) होता है और चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति H लगभग 30 से 160 किलोमीटर प्रति मीटर (400 से 2000 पूर्व की ओर).होती है[19] फेराइट चुम्बकों का घनत्व लगभग 5 ग्राम/सेमी 3 होता है।

सबसे सामान्य हार्ड फेराइट्स इस प्रकार होते है

  • ट्रोंटियम फेराइट, SrFe12O19 (SrO·6Fe2O3) छोटे इलेक्ट्रिक मोटर्स माइक्रो-वेव उपकरणों में उपयोग किया जाता है, रिकॉर्डिंग मीडिया मैग्नेटो-ऑप्टिक मीडिया दूरसंचार और इलेक्ट्रॉनिक उद्योग उद्योग में उपयोग किया जाता है।[6] स्ट्रोंटियम हेक्साफेराइट (SrFe12O19) अपने मैग्नेटोक्रिस्टलाइन अनिसोट्रॉपी के कारण उच्च कोरसीवीटी के लिए जाना जाता है। स्थायी चुम्बकों के रूप में औद्योगिक अनुप्रयोगों में इसका व्यापक रूप से उपयोग किया गया है और क्योंकि उन्हें पाउडर बनाया जा सकता है और आसानी से बनाया जा सकता है, वे अपने अनुप्रयोगों को बायोमार्कर बायो डायग्नोस्टिक्स और बायोसेंसर जैसे सूक्ष्म और नैनो-प्रकार प्रणालियों में खोज रहे हैं।[20]
  • बेरियम फेराइट, BaFe12O19 (BaO·6Fe2O3) स्थायी चुंबक अनुप्रयोगों के लिए एक सामान्य सामग्री के रूप में उपयोग किया जाता है। बेरियम फेराइट्स मजबूत सिरेमिक हैं जो सामान्यतः नमी और संक्षारण प्रतिरोधी के लिए स्थिर होते हैं। इनका उपयोग उदाहरण के लिए लाउडस्पीकर चुंबक और चुंबकीय रिकॉर्डिंग के लिए एक माध्यम के रूप में किया जाता है। उदाहरण चुंबकीय पट्टी कार्ड पर इसका उपयोग करते है।

उत्पादन

उच्च तापमान पर घटक धातुओं के ऑक्साइड के मिश्रण को गर्म करके फेराइट्स का उत्पादन किया जाता है, जैसा कि इस आदर्श समीकरण में दिखाया गया है[21]

Fe2O3 + ZnO → ZnFe2O4

कुछ स्थितियों में, बारीक चूर्ण किए गए अग्रदूतों के मिश्रण को एक साँचे में दबाया जाता है। बेरियम और स्ट्रोंटियम फेराइट्स के लिए, इन धातुओं को सामान्यतः उनके कार्बोनेट, BaCO3 या SrCO3 के रूप में आपूर्ति की जाती है। हीटिंग प्रक्रिया के दौरान ये कार्बोनेट कैल्सीनेशन से गुजरते हैं।

MCO3 → MO + CO2

इस चरण के बाद, दो ऑक्साइड मिलकर फेराइट बनाते हैं। ऑक्साइड का परिणामी मिश्रण सिंटरिंग से गुजरता है।

प्रसंस्करण

फेराइट प्राप्त करने के बाद, ठंडा उत्पाद को 2 माइक्रोमीटर (यूनिट) छोटे कणों में मिलादिया जाता है और ये कण एक ही चुंबकीय डोमेन से बना होता है। इसके बाद उस पाउडर को एक आकार में दबाकर सुखा लिया जाता है। और फिर कण एनिसोट्रॉपी की पसंदीदा दिशा प्राप्त करने के लिए बाह्य चुंबकीय क्षेत्र में आकार निर्धारण किया जा सकता है।

सूखे दबाव से छोटे और ज्यामितीय रूप से आसान आकृतियों का उत्पादन किया जा सकता है। चूंकि इस तरह की प्रक्रिया में छोटे कण एकत्र हो जाते हैं और गीली दाब प्रक्रिया की तुलना में कमज़ोर चुंबकीय गुण उत्पन्न कर देते हैं। बिना मिलिंग के सीधे कैल्सीनेशन और सिन्टरिंग भी संभव होती है, लेकिन इसके परिणामस्वरूप चुंबकीय गुण क्षीण होते हैं।

विद्युत चुम्बक पहले से सिन्टरित होते हैं पूर्व प्रतिक्रिया, मिल्ड और प्रेस किए जाते हैं। चूँकि, सिंटरिंग एक विशिष्ट वातावरण में किया जाता है, उदाहरण के लिए ऑक्सीजन की कमी के साथ होती है। रासायनिक संघटन तथा विशेष रूप से पूर्वगामी तथा सिंटरिंग उत्पाद के बीच सख्त भिन्नता होती है।

सिटरिंग के दौरान भट्ठी में उत्पाद को उचित रूप से स्टैकिंग और भागों को एक साथ चिपकने से रोकने के लिए अनेक निर्माता सिरेमिक पाउडर सेपरेटर शीट का प्रयोग करके अलग बर्तन बनाते हैं। ये चादरें एल्यूमिना, ज़िरकोनिया और मैग्नेशिया जैसी विभिन्न सामग्रियों में उपलब्ध होती है। वे सूक्ष्म, मध्यम और मोटे कणों के आकारों में भी उपलब्ध होती है। अधिकतम फर्नेस लोडिंग करते समय पदार्थ और कणों के आकार के तत्वों को सिंक करते हुए सतह की क्षति और संदूषण को कम किया जा सकता है।

उपयोग करता है

फेराइट कोर का उपयोग इलेक्ट्रॉनिक इंडिकेटर्स, ट्रांसफॉर्मर और इलेक्ट्रोचुंबक में किया जाता है, जहां फेराइट के उच्च विद्युत प्रतिरोध से बहुत कम एड़ी का नुकसान होता है।

फेराइट्स एक कंप्यूटर केबल में एक गांठ के रूप में भी पाए जाते हैं, जिसे फ़ेराइट बीड कहा जाता है, जो उच्च आवृत्ति वाले विद्युत नॉइज़ (रेडियो आवृत्ति हस्तक्षेप) को बाहर निकलने या उपकरण में प्रवेश करने से रोकने में मदद करता है, इस प्रकार के फेराइट हानिकारक सामग्रियों से बने होते हैं जो न केवल अवरुद्ध प्रतिबिंबित होते हैं, अपितु गर्मी, अवांछित उच्च-आवृत्ति ऊर्जा के रूप में अवशोषित और नष्ट भी होते हैं।

प्रारंभिक स्मृति हार्ड फेराइट कोर के अवशिष्ट चुंबकीय क्षेत्रों में डेटा संग्रहीत करती है, जिन्हें कोर मेमोरी के सरणियों में इकट्ठा किया गया था। चुंबकीय टेप के लेप में फेराइट पाउडर का उपयोग किया जाता है।

फेराइट कणों का प्रयोग स्टेलेट वायुयानों में प्रयुक्त राडार अवशोषण सामग्री या कोटिंग के घटक के रूप में तथा कमरों को विद्युतचुंबकीय संगतता मापन हेतु प्रयुक्त होने वाली अवशोषण टाइलों में भी किया जाता है। लाउडस्पीकर और विद्युत चुम्बक इंस्ट्रूमेंट पिकअप में उपयोग होने वाले ऑडियो चुम्बक सहित सबसे सामान्य ऑडियो चुम्बक फेराइट चुम्बक के रूप में होते है। कुछ पुराने उत्पादों को छोड़कर फेराइट चुम्बक ने इन अनुप्रयोगों में बड़े पैमाने पर अधिक महंगे एलनआईसीओ चुम्बक को विस्थापित कर देते है। विशेष रूप से हार्ड हेक्साफेराइट्स के लिए आज भी सबसे सामान्य उपयोग अभी भी रेफ्रिजरेटर सील गास्केट माइक्रोफोन और लाउड स्पीकर, ताररहित उपकरणों के लिए छोटे मोटर्स और ऑटोमोबाइल अनुप्रयोगों में स्थायी चुंबक के रूप में हैं।[22]

चुंबकीय नैनोपार्टिकल्स सुपरपरामैग्नेटिक गुण प्रदर्शित करते हैं।

इतिहास

सन् 1930 में टोकियो प्रौद्योगिकी संस्थान के योगोरो काटो और टेक ली ने प्रथम फेराइट यौगिकों को संश्लेषित किया। इससे सामग्री का निर्माण करने के लिए 1935 में टीडीके निगम की स्थापना हुई।

बेरियम हेक्साफेरेराइट (बाईस) की खोज 1950 में फिलिप्स नेचुरकून्डेग प्रयोगशाला (फिलिप्स भौतिकी प्रयोगशाला) में की गई थी। यह खोज कुछ हद तक आकस्मिक थी एक सहायक द्वारा की गई गलती के कारण हुई थी, जिसके बारे में कहा जाता था कि वह किसी टीम के लिए अर्धचालक पदार्थ के रूप में इसके प्रयोग की जांच करने के लिए षट्कोणीय लांथेनम फेरिट का नमूना तैयार कर रहा था। यह पता चलने पर कि यह वास्तव में एक चुंबकीय सामग्री है और इसकी संरचना की पुष्टि एक्स - रे क्रिस्टलोग्राफी द्वारा की थी, उन्होंने इसे चुंबकीय अनुसंधान समूह को दिया।[23] बेरियम हेक्साफेराइट में उच्च कोरसीवीटी (170 kA/m) और कम कच्चे माल की लागत दोनों हैं। इसका विकास फिलिप्स उद्योगों (नीदरलैंड) द्वारा उत्पाद के रूप में किया गया था और 1952 से फेरोक्सड्योर व्यापार नाम के अनुसार विपणन की गई थी।.[24] कम कीमत और अच्छे प्रदर्शन के कारण स्थायी चुम्बकों के उपयोग में तेजी से वृद्धि हुई।[25]

1960 के दशक में फिलिप्स ने बेरियम हेक्साफेराइट की तुलना में बेहतर गुणों के साथ स्ट्रोंटियम हेक्साफेराइट (SrO•6Fe2O3) विकसित किया। बेरियम और स्ट्रोंटियम हेक्साफेराइट कम लागत के कारण बाजार पर हावी हुई थी। अन्य सामग्री बेहतर गुणों के साथ पाई गई है। BaO•2(FeO)•8(Fe2O3) 1980 में आया था।[26] और Ba2ZnFe18O23 1991 में आया था।[27]

1960 के दशक में फिलिप्स ने बेरियम हेक्साफेराइट की तुलना में बेहतर गुणों के साथ स्ट्रोंटियम हेक्साफेराइट (SrO•6Fe2O3) विकसित किया। बेरियम और स्ट्रोंटियम हेक्साफेराइट कम

यह भी देखें

संदर्भ

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बाहरी कड़ियाँ


स्रोत

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