Mestrado em Engenharia FísicaO presente projeto teve como objetivo principal o desenvolvimento e construcao de
um sistema experimental para a medicao do efeito magnetoeletrico (ME) direto, com
base no metodo dinamico fazendo uso de um Lock-in, e em funcao de um campo
magnetico de polarizacao ( ) ou da frequencia ( ) de um campo magnetico modulado.
Para isso dividimos os trabalhos em tres fases: planeamento e projecao, calibracao, e,
testagem e otimizacao. Na primeira fase, comecamos por fazer uma analise teorica
sobre o comportamento magnetico e eletronico de um par de bobinas de Helmholtz e
com o objetivo de determinar os seus parametros de construcao otimos. Este processo
culminou assim com a construcao de uma cavidade contendo duas bobinas deste tipo.
Na subsequente calibracao do sistema, foram determinadas as relacoes entre:
diferenca de potencial, amplitude de corrente, frequencia e campos magneticos gerados
pelas bobinas. Estas relacoes foram entao integradas em tres programas, escritos em
LabVIEWR, para o controlo remoto dos diversos processos de medicao e capazes de
guiar quatro dispositivos em simultaneo: um gerador de funcoes, um multimetro digital,
um gaussimetro e um amplificador de Lock-in. Estes modos de medicao sao portanto: i)
uma medicao do coeficiente ME em funcao da frequencia do campo modulado e sobre
um campo constante produzido pelo eletroiman do espectrometro de EPR ou pelas
bobinas de Helmholtz; ii) uma medicao em funcao de um campo gerado pelas
bobinas de Helmholtz; e iii) uma medicao semelhante ao caso anterior so que com um
campo produzido pelo eletroiman. Numa fase final de testagem e otimizacao do
sistema das bobinas, concluimos a possibilidade da inducao de campos magneticos de
modulacao com amplitudes de ate pelo menos 8 Oe, e frequencias de ate 102 kHz, e
com variacoes de amplitude nunca superiores a 0,05 Oe ao longo de todas as
frequencias. Constatamos tambem a possibilidade da geracao de campos de
polarizacao de ate 120 Oe, quando induzidos pelas bobinas de Helmholtz, ou de ate 15
kOe, quando produzidos pelo eletroiman. Notamos aqui que a cavidade construida,
para alem do eletroiman do espectrometro de EPR, e tambem compativel com os
criostatos existentes de azoto e helio desta forma permitindo a realizacao de medicoes
MEs a temperaturas dentro do intervalo dos 4 aos 450 K.
Estando finalizada a construcao do sistema de medicao, realizamos uma serie de
analises de avaliacao sobre o seu funcionamento. Aqui, identificamos a existencia de
um sinal parasitico intenso com origem na inducao eletromagnetica de Faraday. Com o
objetivo de filtrar este efeito dos resultados experimentais, testamos assim com sucesso
dois metodos computacionais de correcao. No final, concluimos ainda a boa precisao
(repetibilidade) e capacidade de resolucao para a detecao de sinais MEs, de ate ca. 8
ƒÊV/Oe, por parte do sistema.
Numa componente experimental subsequente, conseguimos observar respostas
MEs gigantes, com coeficientes de ate 123,8 V/cm.Oe (para . 100 Oe), para uma
amostra composita laminada de teste de Metglas/PZT/Metglas , com configuracao 2-1
multi-push-pull, e em condicoes de ressonancia eletromecanica para uma frequencia de
ca. 31 kHz.
A fim de iniciar o estudo das caracteristicas do acoplamento ME em compositos
bifasicos fazendo uso do composto LiNbO3 como fase piezoeletrica, sintetizamos e
realizamos uma serie de medicoes sobre uma amostra prototipo laminada compacta de
Metglas/LiNbO3/Metglas. Consequentemente, fomos capazes de identificar coeficientes
MEs maximos transversais de ca. 16,2 mV/cm.Oe (para . 100 Oe e = 1 kHz) que,
embora sendo bastante inferiores aos valores maximos espectaveis de ca. 2,32
V/cm.Oe, abrem caminho a estudos futuros com vista a utilizacao do composto LiNbO3
em compositos MEs livres de chumbo, com elevada temperatura de operacao e com
uma resposta ME altamente linear e nao histeretica.This project was aimed primarily at the development and construction of an
experimental system for measuring the direct magnetoelectric (ME) effect, based on the
dynamic method making use of a Lock-in, and as a function of a magnetic bias field ( )
or of the frequency ( ) of a magnetic modulation field. In order to do this, we divided the
work into three phases: planning and projection, calibration, and, testing and
optimization. In the first phase, we began with a theoretical analysis on the electronic
and magnetic behavior of a pair of Helmholtz coils in order to determine its optimal
construction parameters. This procedure then led to the construction of a cavity
containing two of such coils. In the subsequent calibration of the system, the
relationships between: voltage, current amplitude, frequency and magnetic fields
generated by the coils, were determined. These relationships were then integrated into
three programs, written in LabVIEW®, for the remote control of multiple measurement
processes and capable of driving four devices simultaneously: a function generator, a
digital multimeter, a gaussmeter and a Lock-in amplifier. These measurement modes
are therefore: i) a measurement of the ME coefficient as a function of the frequency of
the modulation field and under a constant field produced by the electromagnet of the
EPR spectrometer or by the Helmholtz coils; ii) a measurement as a function of the
field generated by the Helmholtz coils; and iii) a measurement similar to the previous
case but with a field produced by the electromagnet. In a final phase of testing and
optimization of the coils system, we concluded the possibility of inducing magnetic
modulation fields with amplitudes of up to at least 8 Oe, and frequencies up to 102 kHz,
and with amplitude variations not greater than 0.05 Oe over all the frequencies. We
have also found the possibility of generating polarization fields of up to 120 Oe, when
induced by the Helmholtz coils, or up to 15 kOe, when produced by the electromagnet.
We point out here that the constructed cavity, in addition to the electromagnet of the
EPR spectrometer, is also compatible with the existing nitrogen and helium cryostats,
thereby allowing ME measurements at temperatures within the range from 4 to 450 K.
Having completed the construction of the experimental set-up, we performed a
series of analysis in order to evaluate its functioning. Here, we identified the existence of
a large parasitic signal originating from the Faradaic electromagnetic induction. With the
objective of filtering this effect from the experimental results, we then successfully tested
two computational correction methods . At the end, we further concluded the s ys tem’s
good precision (repeatability) and resolution capability for the detection of ME signals
down to ca. 8 μV/Oe.
In a subsequent experimental component we were able to observe giant ME
responses, with coefficients of up to 123.8 V/cm.Oe (for ≈ 100 Oe), for a laminated
composite test sample of Metglas/PZT/Metglas, with a 2-1 multi-push-pull configuration,
and under electromechanical resonance conditions for a frequency of ca. 31 kHz.
In order to initialize the study of the ME characteristics in two-phase composites
containing the LiNbO3 compound as the piezoelectric phase, we synthesized and
conducted a series of measurements on a prototype laminated bulk sample of
Metglas/LiNbO3/Metglas. Consequently, we were able to identify maximum transverse
ME coefficients of ca. 16.2 mV/cm.Oe (for ≈ 100 Oe and = 1 kHz), which while
being well below the maximum expected values of ca. 2.32 V/cm.Oe, pave the way for
further studies on the development of lead free ME composites containing the LiNbO3
compound, with high operating temperature and with a highly linear and non-hysteretic
ME response
