Instituto de Física “Gleb Wataghin”

Departamento de Física Aplicada

Universidade Estadual de Campinas

RELATÓRIO FINAL DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA

Construção e caracterização de um protótipo para refrigerar

dispositivos eletrônicos de dimensões reduzidas utilizando o Efeito

Magnetocalórico

Orientado: Alex Dante, RA: 023006 – IFGW - Unicamp

Orientador: Dr. Juan Carlos Paredes Campoy – Grupo de Preparação e Caracterização

de Materiais – GPCM – DFA – IFGW - Unicamp

Financiamento: PIBIC/CNPq – Unicamp (Quota: 01/02/2008 a

31/07/2008)

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1. INTRODUÇÃO

Este projeto teve como principal objetivo a construção e caracterização de um protótipo de refrigerador magnético à base de Gadolínio utilizando o Efeito Magnetocalórico (EMC). O EMC é a variação em temperatura ∆T que experimenta um material magnético com a variação de um campo magnético externo ∆H, usualmente caracterizado em condições adiabáticas. Este efeito foi descoberto por Warburg [1], mas somente após a descoberta dos métodos de separação e purificação das terras raras é que começou a ser levado em conta efetivamente. Para se pensar em aplicação doméstica do EMC para refrigeração procuram-se materiais específicos que tenham uma temperatura de ordenamento magnético próxima da temperatura ambiente, que é o caso do Gadolínio e outros materiais. O Gadolínio, elemento de número atômico 64 e pertencente ao grupo dos Lantanídeos ou terras raras, tem esta propriedade e apresenta um EMC grande o suficiente para que se possa pensar em aplicações, especialmente em refrigeração [2]. O EMC é mais significativo ao redor das transições de fase magnéticas, sobretudo quando a transição é de primeira ordem, pois neste caso as transições de entropia magnética são mais intensas. Além disso, transições magnetoestruturais de primeira ordem podem incrementar o EMC como no caso da liga Gd5Ge2Si2 [3].

Até hoje a tecnologia da refrigeração magnética tem se desenvolvido abordando o problema da refrigeração a ultra baixas temperaturas utilizando sais magnéticos do tipo Gd2(SO4)38H2O desde o início do século passado [4], a temperaturas próximas à do nitrogênio líquido para o qual existem várias ligas já conhecidas [2] e a altas temperaturas usando compostos à base de Gadolínio que trabalham à temperatura ambiente [5,6]. Diferentes tipos de refrigeradores magnéticos têm sido propostos e patenteados que se valem do Ciclo de Carnot [7-10] assim como sistemas para liquefação do hidrogênio gasoso [11-13]. Um dos principais problemas encontrados para introduzir esta tecnologia no campo doméstico (linha branca) é o fato de precisar produzir grandes quantidades de material com alto grau de pureza e homogeneidade. Para contornar este problema propomos construir um dispositivo à base de Gadolínio puro (99,9%), no qual utilizamos pequenas quantidades deste elemento. O Gadolínio é um material que possui as qualidades necessárias para utilização neste projeto: possui temperatura de ordenamento magnético próxima da temperatura ambiente (~ 293 K), possui alto EMC (~ 9,5 J/kg.K para um campo aplicado ∆H = 5 T) e ao utilizarmos o elemento puro, com dimensões reduzidas e em pequenas quantidades, contornamos o problema da homogeneidade.

Neste sentido escolhemos construir e caracterizar um sistema de refrigeração para dispositivos eletrônicos de pequenas dimensões, que trabalha a temperaturas próximas da ambiente. Atualmente existem poucas publicações abordando este assunto [14], provavelmente por ser mantido sob sigilo. O grande interesse na refrigeração magnética deve-se a algumas vantagens sobre a refrigeração convencional, dentre elas [15]:

3

a) Refrigeração Magnética é teoricamente 20% a 30% mais eficiente que a convencional;

b) Elimina a utilização de combustíveis fósseis; c) Não utiliza gases nocivos à camada de ozônio.

2. O EFEITO MAGNETOCALÓRICO

A termodinâmica do EMC de um material ferromagnético nas proximidades da sua temperatura de ordenamento magnético (temperatura de Curie, TC) é dada pela equação (1). À pressão constante a entropia de um corpo magnético, que é função da temperatura e do campo aplicado: S = S(T,H), é a soma das contribuições da rede, dos elétrons e dos spins:

eletrredemag HTSHTSHTSHTS ),(),(),(),( ++= (1)

A Figura 2.1 mostra a entropia total (curvas cheias) para dois

valores de campo magnético: H0 e H1 (H0 pode ser campo nulo). As linhas tracejadas mostram as contribuições magnéticas para a entropia total para os dois valores de campo, e a linha pontilhada mostra a soma das contribuições eletrônica e da rede que, em princípio, são as mesmas para os dois campos aplicados [16].

Quando o campo é aplicado adiabaticamente, e portanto a entropia total do sistema é constante, o EMC, ∆Tad = T1 – T0, pode ser visualizado como a diferença isoentrópica entre as curvas S(T,H) correspondentes, como mostrado pela flecha horizontal na Figura 2.1. O EMC também pode ser descrito pela variação isotérmica da entropia, ∆Smag = S1 – S0, quando o campo magnético é aplicado isotermicamente, caso em que essa variação de entropia é a diferença entre as duas curvas de entropia da Figura 2.1, como mostrado pela flecha vertical. As grandezas ∆Tad e ∆Smag representam, portanto, as duas características quantitativas do EMC, e é óbvio que ambas dependem da temperatura inicial (antes da aplicação do campo) e da variação do campo ∆H.

É importante salientar que quando se inverte o sinal de ∆H os sinais de ∆Tad e ∆Smag também invertem.

Figura 2.1. Variação da entropia de um corpo magnético com a temperatura a campo magnético zero e diferente de zero [17].

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2.1. ANÁLISE TERMODINÂMICA

O EMC pode ser medido diretamente ou pode ser obtido indiretamente através da medida de magnetização em função de campo e temperatura, ou do mesmo tipo de medida para o calor específico [2, 16-21]. As técnicas diretas sempre envolvem medição das temperaturas da amostra, T0 e T1, em campos magnéticos aplicados H0 e H1 [16, 20-21] e permitem apenas a medida de ∆Tad, determinado como a diferença entre T1 e T0 para um dado T0 e ∆H=H1-H0. As medidas diretas podem ser levadas a cabo usando técnicas de contato ou de não contato. No primeiro caso, o sensor de temperatura é colado diretamente na amostra, e no segundo caso, isso não acontece. A técnica indireta da medida de calor específico permite a determinação tanto de ∆Tad como de (∆Smag(T))∆H enquanto que a magnetização permite a obtenção apenas desta última.

A mudança de entropia no material, produzida pela variação de um campo magnético externo aplicado, pode ser descrita pela equação (2):

dHH

SS

T

H

H ∫

∂∂

=∆0

(2)

onde o campo magnético teve uma variação entre zero e H. Utilizando a relação de Maxwell, equação (3):

TH H

S

T

M

∂

∂=

∂

∂ (3)

na equação (2) podemos obter a variação de entropia em termos da derivada da magnetização em função da temperatura, equação (4):

∫

∂

∂=∆H

H

H dHT

MS

0

(4)

Para estimar a mudança de entropia a partir da equação (4) é

necessário utilizar métodos numéricos. Por exemplo, a partir de medidas de magnetização a temperatura constante (isotermas), é possível aproximar a integral a uma somatória, sempre quando os intervalos de temperatura e campo magnético forem pequenos, equação (5):

i

ii

ii

H HTT

MMS ∆

−

−=∆ ∑

+

+

1

1

(5)

onde Mi e Mi+1 são os valores experimentais de magnetização a Ti e Ti+1, respectivamente, sob aplicação de um campo magnético externo Hi. Outra forma de aproximação numérica da equação (4) é de estimar a variação de entropia a partir de dados experimentais das curvas M(T) a campo

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magnético constante. No caso de pequenos intervalos de campo magnético, ∆SH pode ser aproximada pela equação (6) [22]:

i

HH

H HM

T

M

TS

ii

∆

∂

∂+

∂

∂=∆ ∑

+2

1

1

(6)

onde iH

M

T

∂

∂é a derivada da magnetização em função da temperatura,

extraída das medidas experimentais, para um campo magnético Hi. Há críticas a este método, todavia, quando aplicado a materiais que apresentam transições magnéticas de primeira ordem [21-23]. Obviamente a precisão de ∆S por este método depende fortemente da precisão das medidas de magnetização, temperatura e campo magnético, e, como é envolvida uma integração numérica, depende também do tamanho dos intervalos ∆T, ∆M e ∆H utilizados na medida, uma vez que eles substituem as diferenciais dT, dM e dH.

3. TRABALHO EXPERIMENTAL

Nossa proposta neste projeto foi construir um protótipo de refrigerador magnético à base de Gadolínio. A Figura 3.1 mostra um desenho de montagem do protótipo com seus respectivos componentes.

Em linhas gerais, o funcionamento deste protótipo é o seguinte: um motor de passo é acionado por um software via porta paralela de um microcomputador. Acoplado ao eixo deste motor encontra-se um disco de Gadolínio (99,9% puro) que gira de acordo com velocidade do motor determinada pelo usuário do software. Este disco de Gadolínio gira dentro de um campo magnético uniforme, que só atua num setor de aproximadamente 120º do disco. Quando o disco gira, o setor que está sob a ação do campo magnético sofre um aumento de temperatura. Localizados bem próximos à superfície inferior e superior do disco, nesta região de campo magnético, estão dois Coletores de calor, cuja função é, como o próprio nome diz, fazer a coleta do calor proveniente do aumento de temperatura do disco, e “jogar” esse calor para fora do sistema para que possa ser detectado. Quando este setor do disco deixa a região de campo magnético, a entropia magnética aumenta e portanto este setor do disco sofre uma diminuição na temperatura (diminui a entropia da rede cristalina do material). Ao término do ciclo (giro) a temperatura do disco é menor que a temperatura inicial devido à que parte do calor foi jogado fora através dos coletores de calor. A cada ciclo este processo se repete até se atingir a saturação do sistema. É de nosso interesse determinar experimentalmente como ocorre este processo em função da velocidade angular do disco. Esta troca térmica entre o disco e os coletores deve proporcionar um aumento na temperatura dos coletores de calor, e uma diminuição na temperatura do disco, que pode ser usada para “roubar” calor de uma fonte quente, o que caracteriza um refrigerador magnético. A temperatura dos Coletores de calor pode ser continuamente monitorada

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com termopares para se fazer uma análise da eficiência do sistema em função da velocidade angular do disco.

Para um campo aplicado de 7 T sobre o disco espera-se uma variação de 10 ºC para o Gadolínio ao redor da sua temperatura crítica, TC ~ 296 K [5]. No nosso projeto, temos um campo magnético aproximado de 0,13 T, o que nos permite dizer que, em condições adiabáticas, teríamos um aumento de temperatura do disco de Gadolínio da ordem de 0.2 ºC ao redor de TC. Porém nosso dispositivo trabalha num regime semi-adiabático e, visto que o aumento de temperatura esperado é pequeno, e que entre o disco e os coletores de calor existe uma camada de ar de aproximadamente 0,5 mm, estão claras as dificuldades em se medir esse aumento de temperatura com um termopar.

O protótipo constitui-se basicamente de duas partes: mecânica e eletrônica, as quais descrevo com maiores detalhes a seguir.

Figura 3.1. Desenho do Protótipo montado (parte mecânica). 1 – Corpo; 2 – Motor de passo; 3 – Eixo de acoplamento; 4 – Coletor de calor inferior; 5 – Câmara; 6 – Eixo de sustentação; 7 – Coletor de calor superior; 8 – Tampa; 9 – Disco de Gadolínio; 10 – Ímãs.

3.1. PARTE MECÂNICA

A seguir uma descrição das peças construídas juntamente com suas respectivas funções no conjunto. Os componentes mecânicos do dispositivo são: Câmara, Disco de Gadolínio, Tampa, Eixo de sustentação, Corpo do Dispositivo, Eixo de acoplamento, Coletores de calor e os Ímãs.

3.1.1. CÂMARA

A Câmara, cujo desenho está na Figura 3.2, tem importância fundamental no funcionamento do dispositivo, pois é dentro dela que o

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Disco de Gadolínio gira e sofre a ação do campo magnético. Sua função principal é isolar o disco de gadolínio do meio externo. Ela é uma câmara circular oca torneada em nylon, um material muito resistente que tem a propriedade de ser um bom isolante térmico, o que permite dizer que o interior desta peça constitui um sistema semi-adiabático. Esta é uma condição necessária para uma medida da eficiência do sistema, caso contrário pode haver trocas térmicas com o meio externo, e conseqüentemente a medida da variação de temperatura verificada não poderia ser associada com a equação (1).

A Câmara possui um rebaixo na parte superior para o encaixe da Tampa. No centro, ela possui um furo por onde é encaixado o Eixo de acoplamento no motor. O eixo gira livremente para eliminar qualquer possibilidade de aquecimento do sistema por atrito, o que influenciaria as medidas da temperatura dos Coletores de calor. Na parte interna, ela possui um pequeno furo deslocado do centro para a saída do fio onde se mede a temperatura do Coletor de calor inferior. Na parte inferior, ela tem três rasgos fresados nos quais se encaixam os ímãs inferiores e na Tampa, os superiores. Este conjunto de encaixes permite um arranjo dos ímãs tal que o campo magnético é aproximadamente uniforme na região do disco.

A Câmara é presa ao corpo do dispositivo através do furo roscado lateral, no qual é preso o Eixo de sustentação.

Figura 3.2. Em cima: Desenho técnico da Câmara. Embaixo: Fotos da Câmara pronta.

3.1.2. DISCO DE GADOLÍNIO

O disco de Gadolínio (Figura 3.3) constitui o “coração” do dispositivo, visto que é nele que ocorre o Efeito Magnetocalórico através da ação do campo magnético dos ímãs. O disco é torneado e possui um furo central que possibilita o seu encaixe no Eixo de acoplamento. Foram usinados dois discos de Gadolínio de diâmetro 27,0 mm e 32,3 mm e espessuras 1,2 mm e 3,0 mm, respectivamente, a fim de ser obter um estudo comparativo da eficiência do dispositivo em função da espessura

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do disco. As respectivas massas dos discos são 16,063 g e 6,165 g. Ambos possuem um furo central de diâmetro 6,0 mm para que possam ser fixados ao eixo de acoplamento.

Figura 3.3. Esquerda: Desenho técnico dos discos de Gadolínio. Direita: discos de Gadolínio juntamente com uma amostra de material puro fundido.

3.1.3. TAMPA

A Tampa se encaixa na parte superior da Câmara e sua função é isolar o ambiente interno onde está o disco do meio externo a fim de evitar trocas de calor. Esta peça possui também três rasgos fresados, alinhados e da mesma largura que os da parte inferior da Câmara, para alojar os ímãs superiores. Os ímãs são posicionados nos rasgos de forma que o campo dentro da Câmara é o mais homogêneo possível. Além disso, ela possui um pequeno furo cuja finalidade é passar o fio por onde medimos a temperatura do Coletor de calor superior. O desenho da Tampa pode ser visto na Figura 3.4.

Figura 3.4. Esquerda: Desenho técnico da Tampa. Direita: Foto da Tampa.

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3.1.4. EIXO DE SUSTENTAÇÃO

O Eixo de Sustentação está mostrado na Figura 3.5. Fabricado em latão por ser um material não-magnético, sua função é manter a Câmara suspensa e fixa ao Corpo do dispositivo, enquanto o Disco de gadolínio acoplado ao motor de passo gira livremente. Na sua parte superior ele é acoplado ao Corpo do Dispositivo por meio de porcas. O seu corpo é roscado para permitir o ajuste da altura da Câmara tal que o Disco fique no centro da Câmara.

Figura 3.5. Eixo de Sustentação.

3.1.5. CORPO DO DISPOSITIVO

O Corpo do Dispositivo é uma chapa de alumínio de 2,0 mm de espessura com duas dobras em forma de “U” cuja função é sustentar todas as peças do dispositivo. Na base superior possui um furo de 5,5 mm de diâmetro onde é fixado o Eixo de Sustentação por meio de porcas. Na base inferior há um furo de diâmetro 15,0 mm que serve de acomodação para o motor de passo, alinhado com o centro do dispositivo montado, o que possibilita um ajuste do motor em relação à Câmara para que todo o conjunto funcione a contento. O material de construção – Alumínio – foi escolhido devido à sua leveza, resistência e principalmente porque é um material não-magnético, pois não pode influenciar o campo magnético dos ímãs. O desenho do Corpo do Dispositivo é mostrado na Figura 3.6.

Figura 3.6. Corpo do Dispositivo.

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3.1.6. COLETORES DE CALOR

Os coletores de calor são os elementos responsáveis pela transmissão do calor gerado no disco sob ação do campo magnético para o ambiente externo. São construídos em chapa de cobre de 0,5 mm de espessura para assegurar uma boa condutância térmica. É de interesse para o projeto experimentar outras espessuras de chapa, bem como outros materiais na construção dos condutores de calor, para se determinar a melhor condição de funcionamento possível. O calor captado é conduzido através do material até um fio de cobre soldado na chapa, o qual será utilizado para medir o gradativo aumento na temperatura do coletor. A Figura 3.7 mostra o desenho dos coletores de calor.

Figura 3.7. Coletores de calor.

3.1.7. ÍMÃS PERMANENTES

Os ímãs permanentes utilizados neste projeto são feitos de NdFeB. Estes ímãs foram adquiridos e posteriormente fatiados na serra de disco diamantado nas dimensões de 10 mm x 10 mm x 5 mm. As peças receberam uma deposição de filme fino de Níquel e em seguida uma camada de verniz para retardar a oxidação do material. A Figura 3.9 mostra uma foto de um conjunto de 6 ímãs já cortados nestas dimensões.

Estes ímãs são mais potentes que ímãs comuns encontrados em auto-falantes por exemplo, o que pode ser visto na Figura 3.8 que mostra a comparação entre os campos magnéticos de um ímã comum de Ferro e um do material que utilizamos neste protótipo, uma liga de NdFeB.

Na Figura 3.8 é mostrado o perfil do campo magnético em função da distância da superfície do ímã, medido com sonda Hall sobre um dispositivo que simula o campo magnético sentido pelo disco de Gadolínio dentro da câmara. Como a distância entre a superfície dos ímãs e as superfícies superior e inferior do disco é 3,0 mm, podemos considerar que o disco está sujeito a um campo aproximadamente uniforme de 1300 Gauss, ou 0,13 Tesla.

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0,0 0,4 0,8 1,2 1,60

250

500

750

1000

1250

H (

Ga

us

s)

D (cm)

Fe NdFeB Interpo lação

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.20

500

1000

1500

H (

Ga

uss)

D (cm)

Dados experimentais Interpolação

Figura 3.8. Esquerda: curvas de campo magnético de um ímã comum (Fe) e de um ímã de terra-rara (NdFeB) utilizado no protótipo. Direita: simulação do campo magnético dentro da câmara – o campo ao qual o disco está sujeito está entre 0,3 cm e 0,6 cm.

Figura 3.9. Foto mostrando os ímãs utilizados no protótipo.

3.2. PARTE ELETROELETRÔNICA

A parte eletrônica dos trabalhos experimentais é composta por uma placa de circuito impresso para alimentação de um motor de passo, interligados a um software de controle ao computador via porta paralela. Há também um termopar ligado a um circuito compensador de junção fria, ligados a um nanovoltímetro digital Keithley® modelo 181, cuja aquisição automática de medidas de temperatura é controlada por um instrumento virtual programado especificamente para este fim no Labview® [27], via porta GPIB. Estas medidas, mediante calibração, podem ser interpretadas como a temperatura dos coletores de calor, cuja função é fazer a troca de calor com o meio externo, resfriando assim o sistema interno do protótipo, o que pode ser usado como um refrigerador para pequenos dispositivos, inclusive eletrônicos.

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3.2.1. MOTOR DE PASSO

Um motor de passo é um dispositivo eletromecânico que pode ser controlado digitalmente através de hardware específico ou através de software. O motor é um componente de importância vital neste projeto porque é ele que proporciona a rotação do campo magnético agindo sobre o disco de Gadolínio. É interessante a verificação da eficiência do sistema em função da freqüência de giro do campo magnético, então o motor escolhido para este projeto é um motor de passo (Figura 3.10), que oferece a possibilidade de variar a velocidade de rotação sem variar a tensão de alimentação.

Figura 3.10. Motor de passo utilizado. O motor de passo utilizado foi retirado do carro de alimentação de

papel de uma impressora matricial e trabalha originalmente com 24 V de tensão de alimentação e corrente máxima de 1,1 A. Porém, como este projeto não requer um torque específico, optamos por alimentar o motor com 12 V, aproveitando com isso a fonte de alimentação do computador e garantindo maior segurança aos componentes eletrônicos. A resistência de suas bobinas é de 40 Ω, portanto a corrente máxima que circula em suas bobinas é 300 mA.

Sabemos que as fontes de alimentação de microcomputadores geram ruído, mas neste caso a utilizamos somente como fonte de potência para o motor, o que não interfere na eficiência do dispositivo.

Este motor possui 6 fios, sendo 2 comuns e quatro fases (correspondentes às 4 bobinas) e 48 pólos no estator, o que significa que para dar uma volta completa do eixo ele o faz em 48 passos de 7,5º. Para aumentar a velocidade do motor basta diminuir o tempo entre cada passo. Cada passo corresponde a um sinal enviado por um circuito específico chamado “driver”. Um driver é um circuito eletrônico que pode ser construído a partir de componentes discretos (transistores, diodos e resistores) ou pode ser adquirido pronto na forma de um circuito integrado, o que economiza tempo e espaço.

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3.2.2. CIRCUITO DE CONTROLE DO MOTOR DE PASSO

O circuito de controle do motor de passo utilizado está mostrado na Figura 3.11.

Figura 3.11. Circuito de controle do motor de passo.

Neste circuito, o driver utilizado para o controle do motor é o ULN2003A [25], um circuito integrado de 16 pinos facilmente encontrado no comércio e muito barato (R$ 0,55 cada). Este chip suporta correntes de até 500 mA, o que está perfeitamente dentro dos limites do nosso circuito. O diodo Zener de 12 V e 0,5 W serve unicamente como proteção do chip contra correntes reversas quando o motor é desligado [26].

A comunicação entre o software e o hardware é feita através da porta paralela do computador por um cabo paralelo de 25 pinos. As conexões entre o cabo paralelo, o chip e o motor de passo estão mostradas na Tabela 1 abaixo:

Tabela 1

Conexões dos pinos Cabo Paralelo Chip ULN2003A Motor

2 1 3 2 4 3 5 4 19 8 9 Fios comuns 13 Bobina 1 14 Bobina 2 15 Bobina 3 16 Bobina 4

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Todo o circuito foi reunido numa placa de circuito impresso, que foi confeccionada manualmente utilizando o software PCBexpress®. A Figura 3.12 mostra as trilhas marcadas com este software para confecção da placa.

Figura 3.12. Layout das trilhas de cobre da placa de circuito impresso para decalque.

3.2.3. SOFTWARE DE CONTROLE DO MOTOR DE PASSO

Todo o movimento do motor de passo é controlado por um software freeware chamado “Lptmotor” [24]. Este software é um aplicativo desenvolvido para plataforma Windows® 95 ou superior cuja função exclusiva é controlar um motor de passo através da porta paralela do computador. Através dele podemos variar a velocidade do motor de passo de 0,05 Hz até 2,1 Hz. Podemos ver, portanto, que se trata de baixíssimas velocidades, ideais para o nosso propósito. O controle da velocidade é importante para a medida da eficiência do dispositivo em função desta velocidade. Quanto maior a velocidade, menor o tempo que os ímãs agem sobre uma determinada região do disco de gadolínio, e isto pode implicar num menor efeito na temperatura do sistema. Velocidades altas, portanto, podem influenciar negativamente nas medidas, pois a ação do campo magnético tem curta duração. A velocidade ideal somente poderá ser definida após a caracterização experimental em função da velocidade angular do disco.

Além do controle de velocidades pode-se controlar também o tipo de passo do motor (passo completo, passo duplo ou meio-passo) e também o sentido de rotação do motor: horário ou anti-horário.

3.2.4. AQUISIÇÃO E CONTROLE DAS MEDIDAS DE TEMPERATURA

Seguindo nossa proposta de automação do projeto para a aquisição de dados da variação de temperatura (∆Tad) do disco de Gadolínio, utilizamos um computador com o software Labview®. Neste software, criamos um VI (Virtual Instrument), cujo painel frontal está na Figura 3.13, com a função de receber os valores das medidas de tensão do termopar coletados pelo nanovoltímetro, exibí-los na tela no formato de

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um gráfico, e gravá-los num arquivo texto com duas colunas: a primeira com os valores de tensão medida do termopar em unidades de milivolts (mV), e na segunda a temperatura correspondente na escala Kelvin (K). O termopar utilizado é do tipo K, que é feito da junção de duas ligas metálicas: níquel-cromo e níquel-alumínio, também conhecida como cromel-alumel, cuja faixa de temperatura vai de -270 ºC a 1372 ºC.

Figura 3.13. Imagem do painel frontal do VI programado para coletar a tensão do nanovoltímetro, exibi-las na tela, e gravá-las num arquivo texto.

A tensão criada na junção do termopar devido às variações de temperatura no disco de Gadolínio é transmitida para um circuito compensador de junção fria, cujo diagrama está na Figura 3.14 [29]. Este circuito exerce o papel da temperatura de referência, banho em água e gelo (0 ºC), no caso de um termopar de duas pontas. O circuito é ligado ao nanovoltímetro, que por sua vez é ligado via porta GPIB ao computador, no qual o Labview faz o registro e controle das medidas através do VI.

Figura 3.14. Esquerda: Esquema elétrico do circuito compensador de junção fria utilizado nas medidas de temperatura do protótipo. Direita: Valores fornecidos pelo fabricante do circuito integrado LM335 para calibração do circuito para diversos tipos de termopares.

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A conversão de tensão para temperatura foi feita inserindo no programa do VI os coeficientes da curva da temperatura em função da tensão na junção do termopar, que é característica de cada tipo de termopar e que, no caso do tipo K, gera um polinômio de grau 9 com erro de -0,05 ºC a 0,04 ºC [28]. Como pode ser visto na Figura 3.13, o VI permite a escolha do tempo (em segundos) entre as medidas, isto é, a freqüência com a qual as leituras de tensão no termopar feitas pelo nanovoltímetro são gravadas pelo Labview no arquivo texto para posterior consulta e tratamento dos dados. Além disso, o VI tem uma caixa de texto que permite a escolha do nome e do caminho do arquivo no qual os dados são gravados. Há também um campo no qual podemos inserir o endereço da porta de comunicação do aparelho que se quer fazer a interface com o Labview, que no caso é o nanovoltímetro Keithley.

4. RESULTADOS

Foram realizados dois tipos de medidas com o protótipo. No primeiro foi utilizado um termopar tipo K de junção dupla, isto é, uma junção de referência em banho de água com gelo à temperatura de 0 ºC, e outra junto à placa coletora de calor superior. O segundo foi feito usando um termopar de junção simples, também do tipo K, cuja temperatura de referência foi dada pelo circuito compensador de junção fria. O nanovoltímetro foi ligado cerca de meia hora antes do início de cada medida, para estabilização do seu próprio circuito com o ambiente, a fim de minimizar a propagação de erros de medida. As medidas de temperatura foram tomadas com intervalos de 2 segundos, e em média o dispositivo ficou com o motor ligado 2 horas em cada medida.

0 1500 3000 4500 6000 7500 9000299,5

300,0

300,5

301,0

301,5

302,0

Tem

pera

tura

(K

)

Tempo (s)

3ª med idaMo tor ligado em t = 628 sMo tor de sligado em t = 7862 sVelocidade angular do disco: 2 ,08 Hz

Figura 4.1. Curvas de caracterização do protótipo em função da velocidade angular do disco de Gadolínio com campo magnético constante aplicado.

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No primeiro caso, os resultados confirmaram nossas expectativas de que, ao ligar o motor de passo, o disco de Gadolínio se aqueceria gradativamente conforme o campo magnético agisse por sobre um setor do mesmo. Esse aquecimento foi captado pelo termopar, que estava a aproximadamente 1,5 mm acima da superfície do disco, e registrado pelo computador. Esses resultados foram reunidos num gráfico de temperatura versus tempo, que está ilustrado na Figura 4.1. Na Figura 4.2 podemos ver uma comparação entre todas as medidas feitas, levando em consideração a variação de temperatura do disco de Gadolínio obtida em função do tempo.

0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.00.0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

∆∆ ∆∆T (K)

Frequência angular (Hz)

30 minutos 60 minutos

Figura 4.2. ∆T para t = 30 min e 60 min do protótipo em função da velocidade angular do disco de Gadolínio.

No segundo caso (termopar de junção simples com circuito

eletrônico compensador de junção fria a 0 ºC), as medidas apresentarem grande variação de uma para outra, o que estamos interpretando como ruído causado pelo circuito compensador. Esse fato é plausível, se levarmos em consideração que a eficácia do circuito compensador depende dos vários componentes eletrônicos que o compõem, ao passo que no caso do termopar de junção dupla, uma junção é mantida em temperatura constante de 0 ºC em banho de água e gelo, que não está sujeita a variações, exceto pela homogeneidade da temperatura na mistura garantida pela massa de gelo presente. Além disso, o circuito compensador necessita de uma fonte estável de tensão +15 V/-15 V, dada a precisão das medidas, que é da ordem de milivolts. Porém não tínhamos disponível uma fonte precisa e confiável o suficiente que garantisse a estabilidade do circuito. Como consequência, observamos um sinal com muito ruído, no nanovoltímetro, que nos impossibilitou usar

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esta montagem para efetuar as medidas necessárias para a caracterização do protótipo.

5. CONCLUSÕES

A Figura 4.1 mostra a evolução da variação de temperatura (Efeito Magneto Calórico) no dispositivo em função do tempo. Após duas horas de medida atinge-se um ∆T ~ 2 K para um campo magnético de 0,13 T e uma frequência de 2,08 Hz. Na figura 4.2 podemos observar que a variação da temperatura é praticamente constante em relação a frequência angular para o pequeno intervalo de frequências estudado.

Os coletores de calor vão captar o calor proveniente da região aquecida do disco e drená-lo para fora do dispositivo. Como o termopar captou uma variação de ∆T ~ 2 K podemos inferir que os coletores de calor devidamente montados drenariam essa quantidade de calor para fora do sistema caracterizando assim o refrigerador magnético. Isso significa que com os coletores de calor montados e drenando apropriadamente para o ambiente o calor gerado, temos um refrigerador magnético ativo, que pode ser aperfeiçoado com o uso de mecânica de precisão, diminuindo ainda mais seu tamanho e aumentando sua eficiência.

Por outro lado, as medidas com o termopar de junção simples, utilizando o circuito compensador, que é muito mais prático que o termopar que necessita de uma junção em banho de água e gelo, não foram satisfatórias. O conjunto circuito compensador mais nanovoltímetro formam um sistema muito sensível a ruídos provenientes da rede elétrica, da fonte de tensão, do aterramento e do cuidado na montagem do circuito eletrônico. Este é objeto das próximas etapas do nosso trabalho.

Nesta fase do nosso projeto tive contato com várias áreas importantes da Física, como termodinâmica, mecânica e eletrônica. Além disso, durante o convívio com os profissionais destas áreas pude verificar a importância do trabalho em equipe. Dentre as diversas tarefas que tive que executar destacam-se o desenho técnico mecânico, projeto e construção de placas de circuito impresso, construção de circuitos eletrônicos para controle da velocidade do motor de passo via porta paralela, soldagem de componentes eletrônicos.

Finalmente, cabe salientar que durante este período atingimos a principal meta do nosso projeto: o entendimento do Efeito Magnetocalórico.

6. AGRADECIMENTOS

Agradeço ao meu orientador Dr. Juan Carlos Paredes Campoy, pela companhia, esforço e dedicação ao longo dos últimos três anos de trabalho. De vital importância foi o apoio do CNPq e da Pró-Reitoria de Pesquisa – PRP da Unicamp, que financiaram mais esta etapa deste projeto de Iniciação Científica, e por isso devo a eles meus agradecimentos. A construção, montagem e ajustes do protótipo

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demandou muitos dias, envolveu o trabalho e ajuda de várias pessoas, as quais merecem meus agradecimentos. Em especial agradeço ao administrador do Laboratório de Ensino Básico / Laboratório de Ensino de Informática - LEB/LEI, Engº. Pedro Miguel Raggio Santos (“Seu Pedro”) pela ajuda com os desenhos mecânicos e Ordens de Serviço para construção das peças na Oficina Mecânica; ao Claudemir da Oficina de Eletrônica, que me forneceu os componentes para montagem do circuito compensador do termopar; ao Jorge (Oficina Mecânica Central do IFGW) pelas horas de usinagem das peças; agradeço também ao Salles, ao Renato (Laboratório de Vácuo) e ao Fernando (Laboratório de Eletrônica) pela ajuda com a montagem dos circuitos eletrônicos e empréstimo de equipamentos e ferramental e espaço para trabalhar. Finalmente, agradeço aos amigos Fábio Machado Ardito pelo auxílio na programação do Labview® e Rafael Borges Merlo, pela ajuda com o circuito compensador.

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