Imagem de nêutrons para magnetização dentro de um indutor operacional

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 9184 (2023) Citar este artigo

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Componentes magnéticos são peças-chave de sistemas de conversão de energia, como geradores elétricos, motores, dispositivos elétricos de potência e refrigeradores magnéticos. Indutores toroidais com núcleos de anel magnético podem ser encontrados dentro de dispositivos elétricos usados ​​diariamente. Para tais indutores, acredita-se que o vetor de magnetização M circule com/sem distribuição dentro dos núcleos magnéticos, já que a energia elétrica era usada no final do século XIX. No entanto, notavelmente, a distribuição de M nunca foi verificada diretamente. Aqui, medimos um mapa de espectros de transmissão de nêutrons polarizados para um núcleo de anel de ferrite montado em um dispositivo indutor familiar. Os resultados mostraram que M circula dentro do núcleo do anel com uma ordem de spin ferrimagnética quando a energia é fornecida à bobina. Em outras palavras, este método permite a imagem operando em multiescala de estados magnéticos, permitindo-nos avaliar as novas arquiteturas de sistemas de conversão de energia de alto desempenho usando componentes magnéticos com estados magnéticos complexos.

Componentes magnéticos são peças-chave de sistemas de conversão de energia, como geradores elétricos, motores, dispositivos elétricos de potência e refrigeradores magnéticos. Portanto, têm sido um dos pilares da sociedade moderna desde o final do século XIX1. Por exemplo, indutores toroidais com núcleos de ferrite e bobinas de cobre (Fig. 1a) são encontrados em vários dispositivos elétricos na vida cotidiana. De acordo com a lei circuital de Ampère, um campo magnético circunferencial H é gerado dentro de uma bobina indutora quando uma corrente elétrica é fornecida ao indutor1. A lei circuital de Ampère prevê que a amplitude de H na circunferência interna é 1,5 vezes maior que a da circunferência externa devido à diferença nos perímetros (Fig. 1b). Se a magnetização M for induzida em uma direção paralela a H e sua magnitude for proporcional a H, M também circulará circunferencialmente dentro do núcleo de ferrite com magnitudes 1,5 vezes diferentes entre os lados interno e externo. Embora tais suposições simples nem sempre sejam válidas para componentes magnéticos reais usados ​​em sistemas de conversão de energia, a distribuição de M dentro deles nunca foi verificada diretamente. Por causa da saturação magnética, respostas magnéticas não lineares são frequentemente esperadas em um grande H homogêneo. Além disso, os campos desmagnetizantes gerados nos cantos ou a anisotropia magnética inclinam a direção de M para H em componentes magnéticos gerais. Em outras palavras, os componentes magnéticos reais não satisfazem a relação bem conhecida com o seguinte fluxo magnético B = μ0(H + M) = μ0(1 + χ)H, onde μ0 é a permeabilidade ao vácuo e χ é a suscetibilidade. Assim, a distribuição de M não é a mesma que a distribuição de H ou B. No entanto, ao longo dos séculos, os componentes magnéticos foram projetados usando apenas informações das curvas de magnetização calculadas como um todo (Fig. 1c) porque a distribuição de M não pode ser medido a menos que seja desmontado o sistema.

Indutor toroidal com núcleo de anel de ferrite de zinco e manganês. (a) Fotografia antes da medição. De acordo com a lei circuital de Ampère, a amplitude H nas periferias interna e externa, Hin e Hout, é calculada em (b). (c) A magnetização média é mostrada como uma função dos campos magnéticos médios a 296 K. Os símbolos quadrados em (c) denotam os pontos para medir os espectros de transmissão de nêutrons.

Atualmente, a microscopia magneto-óptica Kerr ou microscopia eletrônica de varredura polarizada por spin é usada para elucidar a distribuição fina de M na superfície nua de componentes magnéticos volumosos, enquanto a distribuição de H fora do componente pode ser medida com precisão usando sensores magnéticos fluxgate ou Hall. Por outro lado, os meios para observar de forma não destrutiva as distribuições dentro de componentes volumosos montados em sistemas de conversão de energia ainda não foram estabelecidos. Por exemplo, H dentro do núcleo magnético foi aproximado do valor medido usando uma bobina de busca colocada dentro de furos perfurados no núcleo3. Conseqüentemente, geralmente inferimos as distribuições internas de H e M comparando a superfície ou informações externas com simulações eletromagnéticas . Esta avaliação indireta funcionou para projetos atuais usando componentes magnéticos simples existentes. No entanto, as futuras sociedades sustentáveis ​​exigirão uma maior eficiência de conversão de energia possibilitada por componentes magnéticos altamente sofisticados, onde M ou as suas orientações de spin originais são concebidas para serem não paralelas e não proporcionais a H em multiescala. Por exemplo, microscopicamente, alguns spins são antiparalelos às orientações H (chamadas ferrimagnéticas) em um ímã permanente de (Nd1−xDyx)2Fe14B6, ímã macio de (Mn1−xZnx)Fe2O47, material magnetocalórico de ErCo28 e material spintrônico de GdFeCo9 , onde os spins antiparalelos desempenham um papel importante no seu desempenho magnético. Os spins inclinados na fase magnética suave contribuem para aumentar o produto energético em ímãs compostos de mola de troca na mesoescala . Macroscopicamente, são utilizados materiais magnéticos funcionalmente graduados11 e componentes multimateriais12, onde as propriedades magnéticas são projetadas para variar de um lugar para outro dentro de uma unidade de componente único. Os componentes magnéticos devem ser complexos em multiescalas. É difícil avaliar as distribuições internas de H e M (caso contrário B e M) em tais materiais avançados usando as informações obtidas na superfície ou no exterior. A falta de um método de avaliação útil é uma barreira ao avanço dos sistemas de conversão de energia.