Imagem de nêutrons para magnetização dentro de um indutor operacional

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 9184 (2023) Citar este artigo

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Os componentes magnéticos são partes essenciais dos sistemas de conversão de energia, como geradores elétricos, motores, dispositivos elétricos de potência e refrigeradores magnéticos. Indutores toroidais com núcleos de anéis magnéticos podem ser encontrados dentro desses dispositivos elétricos que são usados ​​diariamente. Para tais indutores, acredita-se que o vetor de magnetização M circule com/sem distribuição dentro dos núcleos magnéticos, pois a energia elétrica era usada no final do século XIX. No entanto, notadamente, 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 multiescala de estados magnéticos, permitindo avaliar as novas arquiteturas de sistemas de conversão de energia de alto desempenho usando componentes magnéticos com estados magnéticos complexos.

Os componentes magnéticos são partes essenciais dos sistemas de conversão de energia, como geradores elétricos, motores, dispositivos elétricos de potência e refrigeradores magnéticos. Portanto, eles 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 da vida cotidiana. De acordo com a lei dos circuitos de Ampère, um campo magnético circunferencial H é gerado dentro de uma bobina indutora quando uma corrente elétrica é fornecida ao indutor1. A lei dos circuitos de Ampère prevê que a amplitude de H na circunferência interna é 1,5 vezes maior que na externa por causa da diferença de perímetros (Fig. 1b). Se a magnetização M é induzida em uma direção paralela a H e sua magnitude é proporcional a H, M também gira 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 dele nunca foi verificada diretamente. Por causa da saturação magnética, respostas magnéticas não lineares são frequentemente esperadas em um grande H homogêneo. Além disso, campos de desmagnetização gerados nos cantos ou 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 desmonte o sistema.

Indutor toroidal com manganês e núcleo de anel de ferrite de zinco. (a) Fotografia antes da medição. De acordo com a lei dos circuitos 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 o espectro de transmissão de nêutrons.

Atualmente, microscopia Kerr magneto-óptica ou microscopia eletrônica de varredura polarizada por spin é usada para elucidar a distribuição fina de M na superfície nua de componentes magnéticos volumosos2, enquanto a distribuição de H fora do componente pode ser medida com precisão usando fluxgate ou sensores magnéticos de 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. Consequentemente, normalmente inferimos as distribuições internas de H e M comparando as informações de superfície ou externas com simulações eletromagnéticas4,5. Essa 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 suas orientações originais de spin são projetadas para serem não paralelas e não proporcionais a H em multiescala. Por exemplo, microscopicamente, alguns spins são antiparalelos às orientações H (os chamados ferrimagnéticos) 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 em seu desempenho magnético. Os spins inclinados na fase magnética macia contribuem para aumentar o produto energético em ímãs compostos de mola de troca na mesoescala10. 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 única unidade de componente. As componentes magnéticas devem ser complexas 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 da superfície ou do exterior. A falta de um método de avaliação útil é uma barreira para o avanço dos sistemas de conversão de energia.