Imaging di neutroni per la magnetizzazione all'interno di un induttore operativo

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9184 (2023) Citare questo articolo

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I componenti magnetici sono parti fondamentali dei sistemi di conversione dell'energia, come generatori elettrici, motori, dispositivi elettrici di potenza e frigoriferi magnetici. Gli induttori toroidali con nuclei ad anello magnetico si trovano all'interno di dispositivi elettrici utilizzati quotidianamente. Per tali induttori, si ritiene che il vettore di magnetizzazione M circoli con/senza distribuzione all'interno dei nuclei magnetici poiché l'energia elettrica veniva utilizzata alla fine del XIX secolo. Tuttavia, in particolare, la distribuzione di M non è mai stata verificata direttamente. Qui, abbiamo misurato una mappa degli spettri di trasmissione di neutroni polarizzati per un nucleo di anello di ferrite assemblato su un dispositivo induttore familiare. I risultati hanno mostrato che M circola all'interno del nucleo dell'anello con un ordine di rotazione ferrimagnetico quando viene fornita alimentazione alla bobina. In altre parole, questo metodo consente l'imaging operando multiscala degli stati magnetici, permettendoci di valutare le nuove architetture di sistemi di conversione dell'energia ad alte prestazioni utilizzando componenti magnetici con stati magnetici complessi.

I componenti magnetici sono parti fondamentali dei sistemi di conversione dell'energia, come generatori elettrici, motori, dispositivi elettrici di potenza e frigoriferi magnetici. Pertanto, sono stati un pilastro della società moderna sin dalla fine del XIX secolo1. Ad esempio, gli induttori toroidali con nuclei di ferrite e bobine di rame (Fig. 1a) si trovano in diversi dispositivi elettrici della vita di tutti i giorni. Secondo la legge circuitale di Ampère, all'interno di una bobina dell'induttore viene generato un campo magnetico circonferenziale H quando viene fornita corrente elettrica all'induttore1. La legge circuitale di Ampère prevede che l'ampiezza di H nella circonferenza interna sia 1,5 volte maggiore di quella esterna a causa della differenza nei perimetri (Fig. 1b). Se la magnetizzazione M è indotta in una direzione parallela a H e la sua grandezza è proporzionale a H, anche M gira circonferenzialmente all'interno del nucleo di ferrite con grandezze 1,5 volte diverse tra i lati interno ed esterno. Sebbene tali semplici assunzioni non siano sempre valide per i reali componenti magnetici utilizzati nei sistemi di conversione dell'energia, la distribuzione di M al suo interno non è mai stata verificata direttamente. A causa della saturazione magnetica, sono spesso previste risposte magnetiche non lineari in un grande H omogeneo. Inoltre, i campi smagnetizzati generati agli angoli o l'anisotropia magnetica inclinano la direzione di M forma H in componenti magnetici generali. In altre parole, i componenti magnetici reali non soddisfano la ben nota relazione con il seguente flusso magnetico B = μ0(H + M) = μ0(1 + χ)H, dove μ0 è la permeabilità al vuoto e χ è la suscettibilità. Pertanto, la distribuzione di M non è la stessa distribuzione di H o B. Tuttavia, nel corso dei secoli, i componenti magnetici sono stati progettati utilizzando solo le informazioni provenienti dalle curve di magnetizzazione mediate nel loro insieme (Fig. 1c) perché la distribuzione di M non può essere misurato a meno che non si smonti il ​​sistema.

Induttore toroidale con nucleo ad anello in ferrite di zinco e manganese. (a) Fotografia prima della misurazione. Secondo la legge circuitale di Ampère, l'ampiezza H alle periferie interna ed esterna, Hin e Hout, è calcolata in (b). (c) La magnetizzazione media è mostrata in funzione dei campi magnetici medi a 296 K. I simboli quadrati in (c) indicano i punti per misurare gli spettri di trasmissione dei neutroni.

Attualmente, la microscopia Kerr magneto-ottica o la microscopia elettronica a scansione polarizzata in spin viene utilizzata per chiarire la distribuzione fine di M sulla superficie nuda di componenti magnetici ingombranti2, mentre la distribuzione di H all'esterno del componente può essere misurata con precisione utilizzando sensori magnetici fluxgate o Hall. D'altro canto non sono ancora stati stabiliti i mezzi per osservare in modo non distruttivo le distribuzioni all'interno dei componenti ingombranti assemblati nei sistemi di conversione dell'energia. Ad esempio, H all'interno del nucleo magnetico è stato approssimato al valore misurato utilizzando una bobina di ricerca posizionata all'interno dei fori praticati nel nucleo3. Di conseguenza, solitamente deduciamo le distribuzioni interne di H e M confrontando le informazioni superficiali o esterne con simulazioni elettromagnetiche4,5. Questa valutazione indiretta ha funzionato per i progetti attuali che utilizzano semplici componenti magnetici esistenti. Tuttavia, le future società sostenibili richiederanno una maggiore efficienza di conversione dell’energia resa possibile da componenti magnetici altamente sofisticati, dove M o i suoi orientamenti di spin originali sono progettati per essere non paralleli e non proporzionali a H su multiscala. Ad esempio, microscopicamente, alcuni spin sono antiparalleli agli orientamenti H (i cosiddetti ferrimagnetici) in un magnete permanente di (Nd1−xDyx)2Fe14B6, un magnete morbido di (Mn1−xZnx)Fe2O47, un materiale magnetocalorico di ErCo28 e un materiale spintronico di GdFeCo9. , dove gli spin antiparalleli giocano un ruolo importante nelle loro prestazioni magnetiche. Gli spin inclinati nella fase magnetica dolce contribuiscono ad aumentare il prodotto energetico nei magneti compositi a molla di scambio alla mesoscala10. Vengono utilizzati materiali magnetici classificati dal punto di vista funzionale11 e componenti multimateriali12, in cui le proprietà magnetiche sono progettate per variare da un luogo all'altro all'interno di una singola unità componente. I componenti magnetici devono essere complessi su multiscala. È difficile valutare le distribuzioni interne di H e M (altrimenti B e M) in materiali così avanzati utilizzando le informazioni ottenute dalla superficie o dall'esterno. La mancanza di un metodo di valutazione utile rappresenta un ostacolo al progresso dei sistemi di conversione dell’energia.