Desenvolvimento e teste de um sistema para caracterização de materiais magnetoelétricos

Abstract

Os materiais magnetoelétricos possuem a capacidade de alterar a sua polaridade quando sujeitos a um campo magnético ou alterar a sua magnetização quando sujeitos a um campo elétrico, normalmente os compósitos magnetoelétricos são formados por dois tipos de compósitos sobrepostos um magnetoestritivo e outro piezoelétrico. Estes materiais têm sido alvo de pesquisa devido à possibilidade de criarem uma nova classe de sensores de campo magnético. As vantagens dos sensores magnetoelétricos são o seu tamanho reduzido, operarem à temperatura ambiente, possuírem bom custo-desempenho e um baixo consumo de energia, possivelmente podem também ser usados como armazenamento de dados e em aplicações de comunicação. Esta tese descreve o desenvolvimento e teste de um sistema para caraterização de materiais magnetoelétricos. O sistema desenvolvido gera e controla os campos magnéticos alternados e contínuos usados para estudar o material. Os campos magnéticos são gerados utilizando bobines de Helmholtz. O campo magnético alternado produzido tem o valor máximo de 0, 15mT com uma frequência até 100kHz. De forma a alcançar os melhores resultados, foi desenvolvido um porta amostras de 10mm 10mm, que permite mudar a posição das amostras em relação ao campo magnético. A resposta do material magnetoelétrico, que serve como atributo de qualificação do material, é lida através de um Lock-in Amplifier ligado aos terminais da amostra. As fontes de corrente assim como o Lock-in Amplifier são controladas por um algoritmo de controlo dedicado, sendo este executado em tempo-real. O algoritmo usado é uma aplicação global que faz a interligação entre o utilizador e o sistema de caracterização. Antes da construção do sistema de testes, um estudo teórico foi realizado acerca da criação de campos magnéticos e das propriedades dos materiais magnetoelétricos. Por fim, foram realizados testes para calibrar a estrutura construida e caracterizar as amostras magnetoelétricas.

Magnetoelectric materials have the ability of change their polarization when applied a magnetic field, or change their magnetization when applied an electric field, usually they have two phase composites consisting of magnetostrictive and piezoelectric layers. These materials have been of recent research interest due to their potential to be a new class of magnetic-field sensors that are small, room-temperature operational, cost-effective, and low power consuming, possibly they may also be used as data storage and communication applications. This thesis describes the development and testing of a characterization system for magnetoelectric materials using the unique properties of the material to characterize the sample. The developed system generates and controls the AC and DC magnetic fields used to study the material.The AC magnetics fields are generated using Helmholtz coils. The magnetic field produced has 0.15mT and a range of frequencies from several Hz to 100 kHz. To perform the control of the magnetic field generated by the coils a control system for two current sources, was created.. In order to achieve the best results, a sampler holder was developed, with the size of 10mm 10mm, which allows change the position of the samples relatively to the direction of the electric field produced. The response of magnetoelectric materials, which is used as an attribute of classification, is read by a Lock-In Amplifier connected to the terminals of the sample. The current sources and the Lock-in Amplifier are controlled by a dedicated control algorithm, which is executed in real-time. The algorithm used is an application that makes the connection between the user and the characterization system. To build this testing system, a theoretical study was prepared about the creation of magnetic fields, and the properties of magnetoelectric materials. Tests were made to calibrate the developed structure and several samples were tested using magnetoelectric materials.