En un avance significativo para la tecnología de materiales magnéticos, un equipo de investigadores de la Universidad de Ciencia de Tokio ha creado un sistema de medición que permite una mejor comprensión de la dinámica de las paredes de dominio magnético. Esto es crucial, ya que los materiales magnéticos blandos son fundamentales en dispositivos eléctricos como transformadores y generadores. A medida que la electrónica de potencia avanza hacia operaciones de alta frecuencia, la demanda de materiales magnéticos de baja pérdida se vuelve cada vez más urgente.
Desafíos en la eficiencia de materiales magnéticos
La eficiencia de los materiales magnéticos blandos está limitada principalmente por la pérdida de hierro, donde la energía se disipa en forma de calor al pasar un campo magnético variable. Esta pérdida se compone de pérdidas por histéresis, pérdidas clásicas por corrientes de Foucault y pérdidas por corrientes de Foucault excesivas. En particular, las pérdidas por corrientes de Foucault excesivas se vuelven dominantes a altas frecuencias, pero sus mecanismos aún no están completamente claros.
Cuando un campo magnético variable atraviesa un conductor, se generan corrientes de Foucault, que son similares a remolinos en el agua. Estas corrientes desperdician energía como calor, lo que se conoce como pérdida clásica por corrientes de Foucault. Por otro lado, las pérdidas por corrientes de Foucault excesivas son el resultado de corrientes inducidas localmente por el movimiento irregular de las paredes de dominio magnético bajo un campo magnético variable. Estas paredes de dominio son límites que separan pequeños dominios magnéticos.
La importancia del ruido de Barkhausen magnético
El ruido de Barkhausen magnético (MBN) es una herramienta clave para estudiar la dinámica de las paredes de dominio. Sin embargo, los sistemas actuales de medición de MBN carecen de la cobertura de frecuencia amplia y la alta sensibilidad necesarias para captar eventos individuales de MBN, lo que dificulta la comprensión de la relación entre la dinámica de las paredes de dominio y las pérdidas por corrientes de Foucault. Para abordar esta limitación, el equipo liderado por el profesor asistente Takahiro Yamazaki ha desarrollado un sistema de medición de MBN de banda ancha y alta sensibilidad.
Este sistema fue utilizado para investigar la dinámica de las paredes de dominio magnético en cintas de Fe–Si–B–P–Cu (NANOMET) de 25 μm de grosor, una clase de aleaciones magnéticas blandas. Yamazaki explica que su objetivo es “medir lo que antes no se podía medir”. Con el nuevo sistema, lograron capturar pulsos individuales de MBN, proporcionando evidencia experimental directa de la relajación de las paredes de dominio en cintas metálicas.
Resultados y aplicaciones futuras
El sistema de medición MBN desarrollado integra un dispositivo de bobina de doble capa con blindaje electromagnético completo, cableado y un amplificador de bajo ruido personalizado. Diseñado para minimizar el ruido mientras mantiene un ancho de banda amplio, permite la captura de pulsos individuales de MBN con la mayor fidelidad posible. Esto permitió al equipo visualizar efectivamente el comportamiento de relajación y evaluar con precisión las paredes de dominio, concentrándose en las características microestructurales relacionadas con la disipación de energía.
Los investigadores observaron pulsos MBN aislados, lo que indica la relajación de las paredes de dominio en cintas NANOMET amorfas. Estas cintas son conocidas por su baja coercitividad y excepcionales propiedades magnéticas blandas. El análisis estadístico de los pulsos capturados reveló un tiempo medio de relajación de aproximadamente 3.8 μs, mucho menor que los valores predichos por modelos convencionales.
Para explicar esta discrepancia, se construyó un nuevo modelo físico de relajación de las paredes de dominio, que mostró que la amortiguación causada por las corrientes de Foucault generadas durante el movimiento de las paredes de dominio es la principal causa de las pérdidas por corrientes de Foucault excesivas, en lugar de la viscosidad magnética intrínseca de las paredes de dominio. Este descubrimiento proporciona una comprensión fundamental que puede guiar el diseño futuro de materiales magnéticos.
El equipo también analizó cintas NANOMET nanocristalinas tratadas térmicamente, encontrando una disminución significativa en la amplitud de los pulsos MBN, lo que indica una reducción sustancial en la irregularidad del movimiento de las paredes de dominio. Esto sugiere que es posible suavizar el movimiento de las paredes de dominio y, por ende, reducir las pérdidas de energía mediante el control microestructural. Con la colaboración de la industria, los materiales NANOMET podrían transformarse en componentes ultraeficientes para sistemas de energía renovable.
El Dr. Yamazaki concluye que “nuestro método tiene el potencial de ser ampliamente aplicado en el diseño de materiales magnéticos blandos de baja pérdida de próxima generación, especialmente en transformadores de alta frecuencia y motores de vehículos eléctricos, allanando el camino para dispositivos más pequeños, ligeros y eficientes”. Los conocimientos adquiridos en este estudio serán de gran utilidad para diseñar dispositivos que mejoren el rendimiento y reduzcan el consumo de energía.
