Estudo físico computacional das propriedades eletromagnéticas de uma fita de YBCO

Abstract

Nos últimos anos um número expressivo de equipamentos tem sido produzido com base em simulações computacionais, fornecendo informações necessárias para sua construção física. Muitas dessas simulações usam o chamado Método dos Elementos Finitos (MEF), que tem como ideia básica dividir o domínio do problema em sub-regiões, onde é possível descrever um meio contínuo a partir da sua discretização em elementos com as mesmas propriedades de quem os originou. No caso específico de problemas que envolvem conceitos eletromagnéticos, o MEF mostra-se bastante eficiente, principalmente em função da complexidade de se determinar uma solução analítica em algumas situações ou mesmo quando ela e´ impossível de ser determinada. Dentro dos fenômenos eletromagnéticos, a análise numérica baseada no MEF tem se mostrado, nos últimos anos, uma poderosa ferramenta para estudar o comportamento das características dos materiais condutores e supercondutores, quando percorrido por uma corrente. Sendo assim, nesse do trabalho utilizamos as ferramentas de modelagem e simulação computacional, com o objetivo de compreender as características eletromagnéticas do supercondutor YBCO e sua dissipação de energia (perda AC), quando percorrido por uma corrente alternada. Para o estudo do comportamento das propriedades elétricas dos materiais, foi realizada uma simulação utilizando o MEF, com base nas características eletromagnéticas envolvidas no problema. Devido a sua complexidade, optamos por resolver o problema usando o pacote comercial Comsol Multiphysics 4.3a (c). O nosso estudo foi realizado no seguinte conjunto de etapas: (1) Na primeira delas realizamos a implementação de uma estrutura retangular em 2D; (2) o passo seguinte foi realizar a escolha de diferentes dimensões e tipos de malha a serem utilizados na simulação do material supercondutor YBCO; (3) A fase seguinte ocorreu pela implementação de equações que levassem em consideração mais parâmetros do material, como temperatura e campo magnético aplicado; (4) finalmente foi realizada a análise da perda AC no material, em função das correntes aplicadas. Observamos, como era de se esperar, que a não linearidade das equações que descrevem o problema influenciam na convergência da solução, assim a melhor relação custo x benefício foi com elementos quadrangulares de primeira ordem. Os efeitos elétricos e magnéticos encontrados na simulação correspondem ao modelo teórico, e as perdas AC estão dentro do valor esperado pela literatura, sendo assim, o modelo virtual elaborado pode ser utilizado como ferramenta norteadora de um protótipo real que utilize supercondutores do tipo II.