Magnetisme en elektriciteit beïnvloeden elkaar. Sterker nog, ze wekken elkaar op. Neem de fietsdynamo. Een magneet wordt bewogen ten opzichte van een elektrisch geleidende draad en daardoor wordt stroom opgewekt die het licht doet branden.
In de elektronica zijn hiervan veel toepassingen zoals transformatoren en spoeltjes voor radio en telefonie. Hierbij worden in het algemeen snel wisselende (hoog frequente) elektrische stroompjes toegepast. Een transformator gebruikt de wisselwerking tussen magnetische en elektrische velden om een andere spanning te maken.
Wervels
In de eerste helft van de twintigste eeuw waren deze zaken al bekend. Als magnetische materialen gebruikte men ijzer, nikkel, kobalt of legeringen daarvan. Een groot probleem was dat deze magneten stroom geleiden; bij snel wisselende elektrische velden werden niet alleen magnetische eigenschappen geïnduceerd maar ontstonden ook wervelstromen, kringstroompjes in het metaal als wervels in een snelstromende rivier.
Stroom kost energie en het is dus te begrijpen dat de wervels een verliesfactor waren en het magnetisch materiaal nog warm werd ook. Het was een logische gedachte om naar materialen te zoeken die wel magnetisch waren maar tegelijkertijd slecht geleidden.
Die materialen bestonden. Zoals het natuurlijke mineraal magnetiet, waarvan waarschijnlijk de eerste kompassen zijn gemaakt. In Japan begon T. Takei omstreeks 1930 onderzoek aan ferrieten.
Telefonie
Het onderzoek op het Natuurkundig Laboratorium van Philips (het Nat. Lab.) startte in 1933 vanuit een wens een beter materiaal te maken als magneetkern voor spoelen in hoogfrequenttoepassingen zoals telefonie. Het werd uitgevoerd door de fysicus J.L. Snoek, die zich sterk liet leiden door de meetresultaten aan de spoelen en in mindere mate door de kristalchemie die in diezelfde periode werd ontwikkeld door de chemicus E.J.W. Verwey. Fundamenteel onderzoek als basis voor de toepassing van materialen in elektrische apparaten zou pas tien, vijftien jaar later ontstaan.
De structuur van het ferriet Fe3O4, een gemengde-valentieverbinding van ijzer. De oranje gekleurde bollen zijn zuurstof-ionen, ze omgeven het Fe-ion in een octaëdrische holte (rechts; blauw-gele bollen). De valentie van ijzer in deze site is 50% Fe(II) en 50% Fe(III). Deze bollen van zuurstofionen hebben ook tetraëderholtes, en daarin zitten ook ijzerionen (links, groengele bollen). De valentie van ijzer in deze site is Fe(III). Voor de duidelijkheid zijn een aantal bollen niet getekend op de snijpunten van de lijnen.
Ferrieten zijn verbindingen van metaaloxides met de algemene formule MeO.Fe2O3 waarbij Me staat voor een tweewaardig metaalion zoals ijzer, mangaan of zink. In het kristal zijn de negatieve zuurstofionen groot; zij vormen een dichte bolstapeling waarbij de kleine positieve metaalionen in de holtes zitten. Er zijn twee soorten holtes, tetraëdische holtes waar vier zuurstofionen aan grenzen en iets grotere octaëderholtes waar zes zuurstofionen het metaalion omringen. De metaalionen verdelen zich over de holtes. De verdeling is van belang om de mate van elektrische geleiding te begrijpen. Deze geleiding is lager dan in metalen, maar er zijn verschillen tussen de ferrieten. In sommige ferrieten zoals het ferro-ferri-ferriet (FeO.Fe2O3) zitten zowel twee- als driewaardige ijzerionen op octaëderplaatsen. Als een elektron overspringt van het ene ijzerion op het andere hoeft er in het kristal niets te veranderen. Als daarentegen de twee- en driewaardige ionen in verschillende holtes zitten, gaat de elektronoverdracht moeilijker. De kristalstructuur moet zich aanpassen. Het kristal zal minder elektrisch geleidend zijn.
Aanvankelijk sloten de chemische inzichten van Verwey en de elektrische metingen van Snoek niet op elkaar aan. Het onderzoek van Snoek dreigde vast te lopen. De ferrieten gaven te grote energieverliezen en de oorzaken bleven onbekend. Toen arriveerde in 1940 een Japanse ferrietkern, waarschijnlijk uit het laboratorium van Takei. Dit materiaal had wel goede eigenschappen. Een analyse van de chemische samenstelling leverde niets bijzonders op. Vervolgens ontdekte Snoek dat verhitten grote invloed had op de eigenschappen. Vooral als dit in zuurstof gebeurde.
Bij een relatief ‘lage’ temperatuur van 600 oC neemt het preparaat nog zuurstof op en wordt perfecter qua samenstelling. Bij hogere temperatuur gaat zuurstof verloren en lopen de elektrische verliezen op. Achteraf bleek dit goed te verklaren met kristalchemische argumenten.
Zuurstof-effect
Snoek had echter meer oog voor de toepasbaarheid dan voor het materiaal zelf. Hij bouwde een ijzersterke octrooipositie op. De cruciale uitvinding bleek niet het materiaal, maar de bereidingswijze. Na de Tweede Wereldoorlog bleek dat de Japanse industrie het nut van ferrieten voor magnetische toepassingen niet voldoende onderkend had. Het NatLab ging nog jaren verder met onderzoek aan ferrieten. Toen kwamen ook de zuivere materiaalaspecten meer aan bod.
Het materiaalkundig onderzoek gaf een belangrijk inzicht in de chemie van ferrieten, maar ook van andere stoffen zoals fosforen. Een thermodynamische beschouwing laat zien dat men de concentraties van vreemde ionen en ook van ontbrekende ionen, de defecten, kan sturen omdat het kristal bij de temperaturen waarbij het bereid wordt in evenwicht is met de omringende gasfase. Het `zuurstof-effect´ zoals door Snoek gevonden, is hiervan een voorbeeld. Men kan ook afwijkend geladen ionen inbouwen waardoor je even zo veel ionen in het kristalrooster in een andere ladingstoestand dwingt om de elektrische neutraliteit te handhaven.
Bron: Philips Concernarchief, Eindhoven
Het voorbeeld waaraan dat gedemonstreerd is, was de inbouw van een éénwaardig ion (Li+) in een nikkeloxide (NiO) rooster. Voor ieder Li+ moet een Ni2+ overgaan naar een Ni3+. Hiermee heb je het chemische gereedschap in handen om de materiaaleigenschappen nauwkeurig in te stellen.
Literatuur
A.H. Hoitzing, Ferrietonderzoek op het Philips Natuurkundig Laboratorium: materiaalonderzoek zonder vaste-stoffysica, pp. 1933-1950, Philips Natuurkundig Laboratorium, Eindhoven (1992). J.L. Snoek, Philips Technisch Tijdschrift 12 (1946), p. 354. E.J.W. Verweij, P.W. Haayman, F.L. Heilman, Philips Technisch Tijschrift 9 (1946), p. 186. H.J. Vink, Philips Technisch Tijdschrift (1963), p. 183.
Zie ook:
KNAW
Dit artikel is afkomstig uit het boek Chemie achter de dijken, een gezamenlijke uitgave van de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen (KNAW) en de Koninklijke Nederlandse Chemische Vereniging (KNCV). Het werd in 2001 uitgegeven ter herdenking van het feit dat de Nederlander Jacobus Henricus Van ‘t Hoff honderd jaar eerder in 1901 de allereerste Nobelprijs voor de scheikunde won. Chemie achter de dijken belicht Nederlandse uitvindingen en ontdekkingen op chemisch gebied sinds 1901. In zo’n zeventig bijdragen (voor het overgrote deel opgenomen in Kennislink) wordt de betekenis van de Nederlandse chemie duidelijk voor ontwikkelingen op het gebied van de gezondheidszorg (bijvoorbeeld de kunstnier), de voedingsmiddelenindustrie (onder andere zoetstoffen), de kledingindustrie (bijvoorbeeld ademende regenkleding) of de elektronica (zoals herschrijfbare CD’s).