O rápido crescimento dos veículos elétricos intensificou a busca por formas de tornar os motores elétricos mais eficientes energeticamente. Um dos principais problemas é a perda de ferro, também chamada de perda por histerese magnética, que ocorre quando os campos magnéticos dentro do motor mudam constantemente de direção. Este processo desperdiça energia na forma de calor no núcleo do motor, que é feito de materiais magnéticos macios. Como os motores elétricos geralmente operam em altas temperaturas, a exposição térmica também pode desmagnetizar parcialmente esses materiais, tornando o problema da perda de energia ainda mais complexo.
Um dos principais impulsionadores desses efeitos é o comportamento dos domínios magnéticos, que são pequenas regiões magnéticas dentro dos materiais. A localização e a estrutura desses domínios afetam muito a forma como os materiais magnéticos respondem ao calor e a quantidade de energia que perdem durante a operação.
Domínios de um labirinto magnético complexo
Alguns materiais magneticamente macios contêm estruturas magnéticas altamente complexas chamadas domínios de labirinto, nomeados por sua aparência em zigue-zague e labirinto. Esses domínios labirínticos podem mudar drasticamente à medida que a temperatura aumenta ou diminui, afetando a forma como a energia é perdida no material. No entanto, os cientistas têm lutado para compreender completamente estas estruturas porque muitos fatores de interação estão envolvidos, incluindo a estrutura microscópica do material, efeitos térmicos e estabilidade energética.
Para entender melhor esse comportamento, pesquisadores liderados pelo Prof. Ken Masuzawa do Departamento de Ciência e Tecnologia de Materiais da Universidade de Ciência de Tóquio (TUS), Japão, trabalharam com colaboradores da Universidade de Tsukuba, da Universidade de Okayama e da Universidade de Kyoto para desenvolver um novo modelo chamado modelo Ginzburg-Landau (eX-GL) com uma função de entropia estendida. A equipe usou essa abordagem para estudar o cenário energético dos domínios labirínticos da granada de ferro de terras raras (RIG).
“A modelagem convencional simplifica demais os materiais reais, enquanto os experimentos revelam complexidade sem uma forma clara de quantificar causa e efeito”, explica o professor Kotsugi. “Nossa estrutura explicativa de IA baseada na física aborda essas limitações e é projetada para explicar mecanicamente o processo de remagnetização dependente da temperatura.”
Seus resultados foram publicados na revista Relatórios científicos.
IA e física revelam comportamento magnético oculto
Para saber como a temperatura afeta a remoção da magnetização nos domínios labirínticos, os pesquisadores obtiveram imagens microscópicas dos domínios magnéticos na amostra RIG em diferentes temperaturas. Essas imagens foram então analisadas usando o modelo eX-GL.
A primeira etapa do modelo utiliza homologia persistente (PH), um método matemático sofisticado que identifica características topológicas nos dados. Isso permitiu à equipe detectar características estruturais irregulares nas imagens do domínio magnético. O reconhecimento de padrões baseado em aprendizado de máquina foi então usado para identificar as características mais importantes dos dados de PH, criando um cenário digital de energia livre que rastreia como as microestruturas magnéticas evoluem à medida que a energia muda. Finalmente, a análise matemática ligou essas estruturas de domínio microscópico a um processo de remagnetização maior.
Usando este método, os pesquisadores identificaram uma característica dominante conhecida como PC1 que capturou com sucesso o processo de remagnetização. Ao conectar o PC1 às propriedades físicas, a equipe visualizou quatro barreiras energéticas principais que influenciam fortemente a dinâmica da remagnetização.
Barreiras de energia ocultas dentro de materiais magnéticos
A análise detalhada dessas barreiras e microestruturas associadas mostrou como diferentes formas de energia afetam a remagnetização. Os pesquisadores mediram a transferência de energia envolvendo interações de troca, efeitos de desmagnetização e entropia.
Eles também descobriram que os domínios dos labirintos se tornam mais complexos à medida que o comprimento das paredes dos domínios aumenta. Este aumento na complexidade deve-se à interação entre a entropia e as forças de troca. Estes resultados ajudaram a elucidar os mecanismos físicos subjacentes ao comportamento de reversão do domínio do labirinto.
“Nossa abordagem eX-GL automatiza efetivamente a interpretação do complexo processo de remagnetização e permite a identificação de mecanismos ocultos que são difíceis de discernir com métodos convencionais”, diz o Prof. “Além disso, como a energia livre é uma métrica termodinâmica universal, nosso modelo pode ser estendido a outros sistemas com características semelhantes”.
No geral, o estudo não apenas lança luz sobre a mecânica dos labirintos, mas também fornece uma estratégia mais ampla para investigar paisagens energéticas complexas em sistemas magnéticos e outros materiais físicos relacionados.
Este estudo foi apoiado pela Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência (KAKENHI) Grant-in-Aid for Scientific Research (A) (21H04656). Apoio adicional foi fornecido pela JST-CREST (concessão nº JPMJCR21O1). K. Mitsumata recebeu apoio do Centro de Pesquisa Tsukuba para Materiais Energéticos (TREMS) da Universidade de Tsukuba.
