O crescimento explosivo dos veículos eléctricos alimentou uma procura ainda mais urgente de formas de tornar os motores eléctricos mais eficientes em termos energéticos. Um grande desafio é a perda de ferro, também conhecida como perda de histerese, que ocorre quando o campo magnético dentro do motor inverte repetidamente a direção. Este processo desperdiça energia na forma de calor dentro do núcleo do motor, que é feito de material magnético macio. Como os motores elétricos normalmente operam em altas temperaturas, os efeitos térmicos também podem desmagnetizar parcialmente esses materiais, agravando o problema de perda de energia.
O fator chave por trás desses efeitos é o comportamento dos domínios magnéticos, que são pequenas regiões magnéticas dentro do material. A disposição e a estrutura destes domínios magnéticos afetam fortemente a forma como os materiais magnéticos respondem ao calor e quanta energia perdem durante a operação.
domínio de labirinto magnético complexo
Alguns materiais magnéticos macios contêm estruturas magnéticas altamente complexas chamadas domínios de labirinto, assim chamados por sua aparência irregular e semelhante a um labirinto. Essas áreas labirínticas mudam repentinamente conforme a temperatura aumenta ou diminui, afetando a perda de energia do material. No entanto, os cientistas têm lutado para compreender completamente estas estruturas devido aos muitos factores interactivos envolvidos, incluindo a microestrutura do material, efeitos térmicos e estabilidade energética.
Para entender melhor esse comportamento, pesquisadores liderados pelo professor Masato Kotsugi e pelo Dr. Ken Masuzawa do Departamento de Ciência e Tecnologia de Materiais da Universidade de Ciência de Tóquio (TUS), Japão, em colaboração com colaboradores da Universidade de Tsukuba, Universidade de Okayama e Universidade de Kyoto, desenvolveram um novo modelo chamado modelo Ginzburg-Landau estendido com característica de entropia (eX-GL). A equipe usou este método para estudar a paisagem energética do domínio do labirinto na granada de ferro de terras raras (RIG).
“As simulações convencionais simplificam demais os materiais reais, enquanto os experimentos revelam complexidade sem uma maneira clara de quantificar as relações de causa e efeito”, explica o professor Kotsugi. “Nossa estrutura de inteligência artificial explicável baseada na física aborda essas limitações e visa explicar mecanicamente o processo de reversão da magnetização dependente da temperatura.”
Suas descobertas foram publicadas na revista relatório científico.
Inteligência artificial e física revelam comportamento magnético oculto
Para explorar como a temperatura afeta a remoção da magnetização em domínios labirínticos, os pesquisadores capturaram imagens microscópicas de domínios magnéticos em amostras RIG em diferentes temperaturas. Essas imagens foram então analisadas usando o modelo eX-GL.
A primeira etapa deste modelo utiliza homologia persistente (PH), um método matemático complexo que identifica características topológicas no material. Isso permitiu à equipe detectar características estruturais não homogêneas em imagens de domínio magnético. Em seguida, o reconhecimento de padrões baseado em aprendizado de máquina é usado para identificar as características mais importantes nos dados de pH, gerando um cenário digital de energia livre que rastreia como a microestrutura magnética evolui com as mudanças na energia. Finalmente, a análise matemática liga essas estruturas microscópicas do domínio magnético ao processo maior de reversão da magnetização.
Usando essa abordagem, os pesquisadores identificaram um recurso principal chamado PC1 que captura com sucesso o processo de reversão da magnetização. Ao vincular o PC1 às propriedades físicas, a equipe visualizou quatro barreiras energéticas principais que influenciam fortemente a dinâmica de reversão da magnetização.
Barreiras de energia ocultas dentro de materiais magnéticos
A análise detalhada dessas barreiras e microestruturas associadas revela como diferentes formas de energia afetam a reversão da magnetização. Os pesquisadores mediram a transferência de energia envolvendo interações de troca, efeitos de desmagnetização e entropia.
Eles também descobriram que à medida que o comprimento da parede do domínio aumenta, o domínio do labirinto se torna mais complexo. Esta complexidade crescente é impulsionada pela interação entre a entropia e as forças de troca. Esses resultados ajudam a elucidar os mecanismos físicos por trás do comportamento de reversão do domínio do labirinto.
“Nosso método eX-GL explica de forma eficaz e automática o complexo processo de reversão da magnetização e é capaz de identificar mecanismos ocultos que são difíceis de discernir usando métodos convencionais”, disse o professor Kotsugi. “Além disso, como a energia livre é uma medida termodinâmica universal, nosso modelo pode ser estendido a outros sistemas com características semelhantes”.
No geral, este estudo não apenas esclarece a mecânica dos domínios do labirinto, mas também introduz estratégias mais amplas para estudar paisagens energéticas complexas em sistemas magnéticos e outros materiais físicos relacionados.
Esta pesquisa foi apoiada pelo Grant-in-Aid for Scientific Research (A) (21H04656) da Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência (KAKENHI). Suporte adicional é fornecido pelo JST-CREST (número de concessão: JPMJCR21O1). C. Mitsumata foi apoiado pelo Centro de Pesquisa em Materiais Energéticos (TREMS), Universidade de Tsukuba.
