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Type: Dissertação
Title: Injeção de esferas magnéticas em uma cavidade circular parcialmente preenchida com um substrato
Authors: Silva Junior, Márcio Vaz da
Advisor: Araújo, Ascânio Dias
Keywords in Brazilian Portuguese : Interações dipolares magnéticas;Empacotamento confinado;Minimização da energia BFGS;Topologia de redes;Propriedades de transporte
Keywords in English : Magnetic dipolar interactions;Confined packing;BFGS energy minimization;Network topology;Transport properties
Knowledge Areas - CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
Issue Date: 2026
Citation: SILVA JUNIOR, Márcio Vaz da. Injeção de esferas magnéticas em uma cavidade circular parcialmente preenchida com um substrato. Dissertação (Mestrado em Física) – Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2026.
Abstract in Brazilian Portuguese: O empacotamento de partículas magnéticas explora interações dipolares para a auto-organização espontânea em cadeias ou estruturas ordenadas, com aplicações em sistemas auto-responsivos e na compreensão de estruturas biológicas complexas. Este estudo investiga os padrões de compactação em uma cavidade circular bidimensional, onde cadeias lineares de esferas de neodímio são injetadas diametralmente em uma célula de Hele-Shaw contendo um substrato granular inerte. A análise revela que as configurações iniciais dos dipolos e a fração de área do substrato (η) governam a geometria emergente. Para dipolos inicialmente paralelos, o sistema forma laços (loops) cujas áreas seguem uma distribuição log-normal, indicando fragmentação hierárquica do espaço, e cuja quantidade escala via lei de potência, enquanto o número de contatos (Nc), entre as partículas magnéticas, permanece invariante. A análise topológica via grafos revelou que o incremento do substrato altera a conectividade da rede: a distribuição de menores caminhos transita de unimodal (η = 0.0, rede coesa) para bimodal (η > 0.2), evidenciando a formação de clusters isolados por gargalos de baixa coordenação. Através do método de minimização de energia BFGS, identificou-se que o sistema tende a se organizar em redes de simetria quadrada com domínios antiferromagnéticos, apresentando energias por partícula (uN) próximas ao limite teórico de cadeias lineares (u∞ ≈ −2, 404). Propriedades de transporte elétrico foram modeladas tratando os contatos como resistores e utilizando a inversa de Moore-Penrose da matriz Laplaciana. Observou-se que a resistência equivalente atinge picos em diferentes estágios de empacotamento conforme η aumenta, refletindo a transição de caminhos de condução paralelos para seriais. No regime crítico de η = 0, 83, a saturação do substrato impede a nucleação de laços, resultando em um crescimento resistivo monotônico. O estudo demonstra que a distribuição de correntes concentra-se no backbone da rede, validando a integração entre a morfologia de contato e a eficiência de transporte em meios heterogêneos. O estudo amplia a compreensão sobre o comportamento de matéria magnética em sistemas confinados.
Abstract: Magnetic particle packing exploits dipolar interactions for spontaneous self-organization into chains or ordered structures, with applications in self-responsive systems and the understanding of complex biological structures. This study investigates packing patterns in a two-dimensional circular cavity, where linear chains of neodymium spheres are injected diametrically into a Hele-Shaw cell containing an inert granular substrate. The analysis reveals that the initial dipole configurations and the substrate area fraction (η) govern the emerging geometry. For initially parallel dipoles, the system forms loops whose areas follow a log-normal distribution, indicating hierarchical fragmentation of space, and whose quantity scales via a power law, while the number of contacts (Nc), between magnetic particles, remains invariant.Topological analysis via graphs revealed that increasing the substrate alters the network connectivity: the shortest-path distribution transitions from unimodal (η = 0.0 , cohesive network) to bimodal (η > 0.2 ), evidencing the formation of clusters isolated by low-coordination bottlenecks. Through the BFGS energy minimization method, it was identified that the system tends to organize into square symmetry networks with antiferromagnetic domains, presenting energies per particle (uN) close to the theoretical limit of linear chains (u∞ ≈ −2.404). Electrical transport properties were modeled by treating contacts as resistors and utilizing the Moore-Penrose inverse of the Laplacian matrix. It was observed that the equivalent resistance reaches peaks at diferente packing stages as η increases, reflecting the transition from parallel to serial conduction paths. In the critical regime of η = 0.83, substrate saturation prevents loop nucleation, resulting in monotonic resistive growth. The study demonstrates that current distribution concentrates on the network backbone, validating the integration between contact morphology and transport efficiency in heterogeneous media.The study expands the understanding of magnetic matter behavior in confined systems.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/86391
Author's ORCID: https://orcid.org/0009-0008-9278-2922
Author's Lattes: http://lattes.cnpq.br/0989698681190097
Advisor's ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6609-7501
Advisor's Lattes: http://lattes.cnpq.br/2940950386915746
Access Rights: Acesso Aberto
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