A. Ciências Exatas e da Terra - 3. Física - 4. Física da Matéria Condensada
ESTUDO EXPERIMENTAL DE UM COMPÓSITO A BASE DE TBX2 (X=B E AL) APROPRIADO PARA O CICLO DE ERICSSON
Arnaldo Luis Lixandrâo Filho1
Juan Carlos Paredes Campoy1, 2
1. Universidade Estadual de Campinas - Instituto de Física "Gleb Wataghin"
2. Prof. Dr. PCV - Departamento de Física Aplicada - IFGW / UNICAMP - Orientador
INTRODUÇÃO:A refrigeração magnética (RM) é baseada no efeito magnetocalórico (EMC), i.e. a variação de temperatura que sofre um material submetido a variação de um campo magnético aplicado, usualmente, estimado em condições adiabáticas, ΔTad. O EMC também pode ser obtido a partir da variação de entropia magnética, ΔSmag, que o material sofre devido à variação de um campo magnético externo [1]. Como a tecnologia atual de refrigeração doméstica (ciclo de compressão-descompressão de gás) contribui para o aquecimento global, devido ao uso massivo de CFC’s, a descoberta de novos materiais magnéticos (não poluentes) que possam viabilizar a refrigeração doméstica (Temperatura de Curie próxima a do ambiente) usando o EMC é de grande importância e acaba, também, incentivando pesquisas na caracterização de ciclos de RM a temperaturas criogênicas.
Um dos ciclos termodinâmicos mais viáveis para refrigeração magnética é o ciclo de Ericsson, no qual a relação temperatura-entropia requer que ΔTad ou ΔSmag seja aproximadamente constante na faixa de temperatura que compreende o ciclo [1]. Neste trabalho, calculamos, a partir de medidas de magnetização em função da temperatura, M(T), o ΔSmag(T) para um compósito de TbAl2 e TbB2 (otimizado para seu uso no ciclo de Ericsson). Este ciclo foi escolhido porque possui uma alta eficiência refrigerante (superior ao de Carnot) [1] e pode ser utilizado como refrigerador magnético ativo (RMA) [1] numa ampla faixa de temperaturas.
[1] A. M. G. Carvalho et al., J. Appl. Phys. 97, 083905 (2005).METODOLOGIA:Para se obter uma variação de entropia aproximadamente constante em uma faixa de temperaturas, geralmente são utilizados compósitos formados por dois ou mais materiais com TC’s diferentes. No nosso caso utilizamos dois compostos à base de térbio: TbAl2 e TbB2, sendo o objetivo principal otimizar a quantidade de cada material para que um compósito resultante possa ser utilizado em um ciclo de Ericsson.
A fabricação e caracterização experimental descritas a seguir foram realizadas no Laboratório de Baixas Temperaturas (LBT) do Instituto de Física “Gleb Wataghin” da UNICAMP.
Policristais de TbB2 e TbAl2 de aproximadamente 4 g foram fabricados pelo processo de fusão a arco em atmosfera de Ar. A pureza dos elementos químicos de partida utilizados foram de 99,999 % para o alumínio, de 99,9 % para a terra rara e de 99,8 % para o boro. Posteriormente, os policristais, uma vez moídos num almofariz, foram caracterizados por difração de raios-X num difratômetro Phillips modelo PW1820 com fonte de CuKα. Pequenos pedaços de aproximadamente 10 mg foram utilizados nas medidas de magnetização M(T) realizadas no magnetômetro com sensor SQUID (MPMS – 7T) da Quantum Design. As medidas de M(T) foram realizadas no modo Field Cooled (FC) para campos compreendidos entre 0 e 50 kOe, usando um intervalo de ΔH = 5 kOe. Posteriormente, foi calculado a partir das curvas M(T) o EMC para o compósito otimizado.RESULTADOS:Em termos de fabricação, pode-se mencionar que o TbAl2 é de fácil produção mas que o composto TbB2 é de difícil obtenção, pois geralmente apresenta as fases TbB4 e Tb puro [2]. Felizmente, em ambos os casos, a difração de raios-X mostra a predominância da fase esperada (foi realizada a indexação dos picos hkl), sendo que o TbB2 cristaliza na forma p6/mmm e o TbAl2 na forma Fd-3m.
É bem sabido que o composto TbAl2 possui uma temperatura de Curie, TC, compreendida entre 100 e 120 K, pois varia significativamente de amostra para amostra [3]. Em particular, a nossa amostra apresentou um TC = 100 K. Já no caso do TbB2 seu TC = 145 K está em bom acordo com o único dado existente na literatura [2]. A partir das medidas de magnetização em função da temperatura, M(T), calculamos o efeito magnetocalórico (ΔSmag(T)).
Os resultados acima permitiram calcular a relação em massa entre ambos compostos para a elaboração de um compósito que possa ser utilizado no ciclo de Ericsson de uma maneira otimizada. Com isso o compósito deveria ter 40% de TbB2 e 60% de TbAl2. Obtivemos então um “plateau” de aproximadamente 2 J/kg K em uma faixa de temperaturas de aproximadamente 110 K, compreendida entre 50 e 160 K, para uma variação de campo magnético entre 0 e 5 T. Portanto, uma capacidade refrigerante útil de aproximadamente 220 J/kg.
[2] G. Will, V. Lehmann, and K. H. J. Buschow, J. Magn. Magn. Mat. 6, 22 (1977).
[3] H. –G. Purwins and A. Leson, Adv. Phys. 39, 309 (1990).CONCLUSÕES:Fabricamos por fusão a arco voltaico em atmosfera inerte de argônio os compostos magnéticos (não poluentes) TbAl2 e TbB2 com temperatura de Curie, TC, 100 K e 145 K, respectivamente. Obtivemos um compósito otimizado para o ciclo de Ericsson formado por esses materiais na proporção 3:2, que permite uma faixa de trabalho de aproximadamente 110 K, compreendida entre 50 e 160 K, com 2 J/kg K para uma variação de campo magnético entre 0 e 5 T e uma capacidade refrigerante útil de aproximadamente 220 J/kg. Portanto, o ciclo de Ericsson nestes materiais seria uma alternativa viável para ser utilizada na refrigeração magnética apresentando uma boa eficiência refrigerante numa extensa faixa de temperaturas.
Instituição de fomento: Serviço de Apoio ao Estudante – SAE/Unicamp
Trabalho de Iniciação Científica
Palavras-chave: Ciclo de Ericsson, Efeito Magnetocalórico, Refrigeração Magnética
E-mail para contato: arnaldo.fisica@gmail.com
|
|