Стремительное развитие сектора электромобилей диктует необходимость кардинального повышения эффективности электродвигателей. Одной из критических проблем здесь остаются потери на гистерезис, возникающие при циклическом перемагничивании сердечника с высокой частотой. В процессе этого явления значительная часть электроэнергии преобразуется в тепло, что приводит к нагреву мягких магнитных материалов. Учитывая, что двигатели часто функционируют в условиях повышенных температур, этот нагрев провоцирует частичную потерю магнитных свойств, снижая общую производительность системы.
Фундаментальную роль в этом процессе играет поведение магнитных доменов — локальных областей с единообразной намагниченностью. Топология этих доменов определяет реакцию материала на термическое воздействие и объём неизбежных энергопотерь. Ряд мягких магнитных материалов демонстрирует сложную, так называемую лабиринтную или меандровую структуру, которая склонна к резким, дискретным перестройкам под влиянием температуры. До настоящего момента детальное описание данных трансформаций было затруднено огромным количеством переменных, от микроскопического строения до термодинамической устойчивости фаз.
Для решения этой сложной физической задачи исследователи из Токийского научного университета объединили усилия с коллегами из Университетов Цукубы, Окаямы и Киото. Результатом коллаборации стала теоретическая модель eX-GL (расширенная модель Гинзбурга — Ландау с учетом энтропии). Этот инструмент позволил ученым провести глубокий анализ «энергетического ландшафта» лабиринтных доменов на примере редкоземельного феррита-граната.
Традиционные компьютерные симуляции часто чрезмерно упрощают реальную картину, а лабораторные эксперименты, отражая всю сложность явлений, не всегда предоставляют математический аппарат для анализа причинно-следственных связей. Разработка японских физиков опирается на строгие физические законы и позволяет с высокой точностью обосновать механику зависимости перемагничивания от температурного режима.
В процессе верификации модели авторы задействовали серию микрофотографий магнитных доменов феррита-граната, полученных при разных температурных значениях. Первичная обработка данных проводилась с помощью персистентных гомологий — передового топологического метода, выявляющего скрытые геометрические неоднородности. Затем алгоритмы машинного обучения выделили ключевые физические признаки, на базе которых ИИ сформировал цифровую карту свободной энергии, наглядно отображающую эволюцию доменной структуры при изменении энергетического состояния.
Исследователи выделили критический параметр (индекс PC1), ставший индикатором динамики перемагничивания. Сопоставив этот математический показатель с реальными физическими процессами, ученые впервые визуализировали четыре основных энергетических барьера, управляющих лабиринтными доменами. Модель обеспечила высокоточный расчет баланса сил, включая обменное взаимодействие атомов, кулоновские размагничивающие эффекты и термодинамическую энтропию.
Анализ выявил закономерность: сложность лабиринтных структур лавинообразно возрастает при увеличении суммарной длины доменных стенок, что стимулируется тонким взаимодействием энтропийных сил и квантовомеханического обмена. Как отметил руководитель исследования, профессор Коцуги, методология eX-GL позволяет полностью автоматизировать интерпретацию процессов перемагничивания. Благодаря универсальности понятия свободной энергии, данная модель открывает широкие возможности для применения в исследовании других сложных магнитных и кристаллических систем.
Источник: iXBT
