Este trabalho teve por objetivo desenvolver uma metodologia para fabricação cerâmica de ítria (\'Y IND.2\'O IND.3\') transparente e, em paralelo, desenvolver um sistema de aquecimento que permitisse atingir temperaturas superiores a 1800ºC. Nos últimos 5 anos, cerâmicas transparentes ganharam grande destaque e foram incluídas entre os cinco supermateriais da atualidade. A ítria - \'Y IND.2\'O IND.3\' - apresenta algumas características ópticas promissoras para fabricação de cerâmicas transparentes, dentre as quais podemos destacar: isotropia óptica e ampla faixa de transparência. Além disso, possui elevada condutividade térmica, o que confere potencialidade para aplicações em sistemas lasers de alta potência. Neste trabalho são apresentados os resultados de estudos sistemáticos relacionados à síntese, compactação e sinterização do óxido de ítria. As amostras foram sintetizadas por reação do estado sólido, usando óxido de zircônio como aditivo para o processo de sinterização. As condições de compactação das pastilhas à verde foram investigadas e permitiu a obtenção de corpos cerâmicos com densidade relativa à verde de ~55%, com uso de prensagem uniaxial seguido de prensagem isostática. As cerâmicas foram sinterizadas utilizando-se programas de temperaturas específicos sob duas condições quanto ao aquecimento: em forno elétrico e em atmosfera aberta e em forno de indução, desenvolvido nesse trabalho, em condições de vácuo dinâmico. As caracterizações físicas das amostras foram feitas por difração de raios X, microscopia eletrônica de varredura e espectroscopia óptica. Os resultados mostraram que temperaturas superiores a 1800ºC combinado com o efeito do vácuo são indispensáveis para obtenção de ítria transparente pelo método de sinterização convencional; o sistema de aquecimento desenvolvido apresentou eficiência em atingir a temperatura desejada, porém apresentou algumas limitações que impossibilitou o controle e reprodutibilidade do processo. Por meio da metodologia desenvolvida foi possível a obtenção de cerâmica de ítria com transmissão na região do visível do espectro eletromagnético (400-700 nm) de até 42%, quando comparado a um monocristal. Avançou-se na fabricação de cerâmicas transparentes, porém, ainda será necessário otimizar o controle do sistema de aquecimento do forno desenvolvido, de modo a eliminar os poucos centros espalhadores de luz existentes. / The focus of this work was to develop a methodology for manufacture of transparent Yttria (\'Y IND.2\'O IND.3\') and in addition develop a heating system that operates in temperatures above 1800ºC. In the last 5 years, transparent ceramics featured among the five supermaterials of the present. Yttria - \'Y IND.2\'O IND.3\' - presents a few optical characteristics promising to manufacture transparent ceramics, such as: optical isotropy and wide range of transparency. Besides, it has high thermal conductivity, which gives potential for applications in high power laser systems. In the work presented here, the results of a systematic study of the synthesis, compaction and sintering of yttria oxide are presented. The samples were prepared by solid state reaction, using zircon oxide as an additive to the sintering process. The compaction conditions of the green tablets were investigated and allowed the obtainment of ceramic bodies with relative density around 55%, by using uniaxial pressing followed by isostatic pressing. The ceramics were sintered using specific temperature programs under two heating conditions: electric furnace and open atmosphere and under induction furnace, developed in this work, under dynamic vacuum conditions. The physical characterizations of the samples were made by X-ray diffraction, scanning electron microscopy and optical spectroscopy. The results showed that temperatures above 1800ºC combined with the effect of vacuum are necessary to obtain transparent Yttria by conventional sintering method; the heating system developed was efficient in reaching the desired temperature, however had some limitations that prevented the control and reproducibility of the process. By means of the methodology developed it was possible to obtain ceramic yttria with transmission in the visible region of the electromagnetic spectrum (400-700) up to 42% compared to single crystal yttria. Progress was made in manufacture of transparent ceramics, however, it is necessary to optimize the control of the heating system of the furnace developed, in order to eliminate the few existing light scattering centers.

In the past few years, intensive research efforts have been devoted to studying new approaches to controlling the photon emission of quantum emitters (QEs), especially for telecommunication applications. These approaches rely on tailoring the QE\'s radiation, usually assessed via well-known figures-of-merit such as lifetime (τ) and quantum efficiency (η). Controlling the QE\'s photon emission is important because the faster its photons are emitted, the greater is the number of times it returns to the excited state per second. Therefore, it is crucial to create additional decay channels to reduce τ, which necessarily requires increasing the Purcell factor (P). One of the most promising approaches to increase P involves a new class of metamaterials, known as hyperbolic metamaterials (HMM). This class of materials exhibits pronounced anisotropy, with the parallel and perpendicular permittivity tensor elements (with respect to the anisotropy axis) presenting opposite signs, resulting in an open hyperboloidal isofrequency surface (IS). This unusual IS shape leads to the most outstanding feature of HMMs, namely, the existence of photonic modes with wavenumber (k) much larger than those in free-space (k0), known as high-k modes. By engineering these modes, it is possible to manipulate the HMM photonic density of states (PDoS), thus controlling the QE\'s radiation parameters. The simplest approach to designing HMM is by means of a planar stack of alternating thin metal and dielectric layers. However, the finite thickness of these layers induces spatial dispersion, making the extraction of effective parameters (homogenization) of these media a challenging task. In this context, we propose in this thesis a new constitutive parameter retrieval approach that takes spatial dispersion into account for all electromagnetic parameters of the medium. We demonstrate that the real part of the dispersion curve flattens out (correspondingly with a large imaginary part) because of the absence of propagating modes inside the metamaterial. This flat region is strongly dependent on the layer thicknesses and is a direct manifestation of spatial dispersion. Moreover, we demonstrate that the QE\'s lifetime calculation is overestimated if this effect is not taken into account in the homogenization procedure, which is detrimental for telecommunication applications. Moreover, we demonstrate how to enhance P by a factor greater than 100 with the use of HMMs. However, most of the QE dissipated power couples into the HMM as high-k modes (which do not propagate in free-space). Therefore, the energy is thermally dissipated inside the HMM with a consequent reduction of η . Some authors have resorted to nano-patterned HMMs (NPHM) to convert the high-k modes into free-space modes (k≤k0) aiming at increasing η. However, much of the NPHMs designs still rely on computationally costly three dimensional (3D) numerical simulations. Thus, we also propose in this thesis a new semi-analytical method to model, both in two- and three-dimensions (2D and 3D, respectively), the radiation emission of QEs interacting with nano-patterned structures. The low computational cost of this method makes it attractive for mapping P and η as function of the QE and NPHM relative position. This mapping is a helpful tool to understand the decay behavior of the whole system since QEs are arbitrarily distributed and oriented inside the NPHM. The analytically calculated decay curve allows the systems effective quantum efficiency (ηeff) and Purcell factor (Peff) to be directly obtained assuming multiple arbitrarily distributed electromagnetic sources. In this sense, we propose here a new procedure to optimize the NPHM geometrical parameters to maximize ηeff while achieving the desired Peff. We apply the proposed model to an NPHM composed of nine Ag/SiO2 layers, with the polymer host layer embedded with Rhodamine 6G, to maximize ηeff for a specified tenfold increase of Peff. This procedure allowed ηeff to be increased by 69% and 170% for one- and two-dimensional nano-patterning, respectively. Moreover, the time required to build the P and η maps (used in the calculation of the decay behavior) is reduced by approximately 96% when compared to those numerically calculated via FDTD. This procedure paves the way to the realization of new high-speed and efficient light sources for telecommunication applications. / Nos últimos anos, intensivo esforço tem sido devotado para o estudo de novas método para o controla da missão de fótons de emissores quânticos (EQs), especialmente para aplicações em telecomunicações. Estes métodos dependem da adaptação da radiação dos EQs, geralmente avaliadas por meio das bem conhecidas figuras de mérito, como o tempo de meia vida (τ) e a eficiência quântica (η). O controle da emissão de fótons é importante pois quanto mais rápido os fótons são emitidos, maior é o número de vezes que o EQ retorna ao seu estado excitado por segundo. Portanto, é crucial criar canais de decaimento adicionais para reduzir τ, o que necessariamente requer o aumento do fator de Purcell (P). Uma das abordagens mais promissoras para aumentar P envolve uma nova classe de metamateriais, conhecida como metamateriais hiperbólicos (MHs). Esta classe de materiais apresenta pronunciada anisotropia, onde os elementos paralelo e perpendicular do tensor de permissividade (em relação ao eixo de anisotropia) apresentam sinais opostos, resultando em uma superfície de isofrequência (SI) hiperboloidal aberta (IS). Essa forma incomum de SI leva à característica mais marcante dos MHs, a existência de modos fotônicos com número de onda (k) muito maior do que aqueles no espaço livre (k0), conhecidos como modos alto-k. Ao manipular esses modos, é possível manipular a densidade de estados fotônicos (DES) dos MHs, controlando assim os parâmetros de radiação do QE. A abordagem mais simples para a criação de MHs é por meio de uma pilha plana de camadas metálicas e dielétricas alternadas. Entretanto, a espessura finita dessas camadas induz a dispersão espacial, tornando a extração de parâmetros efetivos (homogeneização) destes meios uma tarefa desafiadora. Neste contexto, propomos nesta tese uma nova abordagem de recuperação de parâmetros constitutivos a dispersão espacial de todos os parâmetros eletromagnéticos do meio é levada em consideração. Nós demonstramos que a parte real da curva de dispersão se aplaina (correspondentemente com uma grande parte imaginária) devido à ausência de modos propagantes dentro do metamaterial. Esta região plana é fortemente dependente das espessuras das camadas e é uma manifestação direta da dispersão espacial Além disso, nós mostramos que se a dispersão espacial não for corretamente considerada no processo de homogeneização, o tempo de meia vida do EQ pode ser superestimado, o que é prejudicial para aplicações de telecomunicações. Além disso, demonstramos como melhorar P por um fator maior que 100 com o uso de MHs. a maior parte da potência dissipada pelos EQs são acopladas nos MHs como modos de alto-k (que não se propagam no espaço livre). Portanto, a energia é dissipada termicamente no interior do MH, resultando em uma redução de η. Alguns autores recorreram a MHs nano-estruturados (MHNE) para converter os modos alto-k em modos de espaço livre (k≤k0) visando o aumento de η. No entanto, muitos dos projetos do NPHM ainda dependem de simulações numéricas tridimensionais (3D) computacionalmente dispendiosas. Assim, também propomos nesta tese um novo método semi-analítico para modelar, tanto em duas como em três dimensões (2D e 3D, respectivamente), a emissão de radiação de EQs interagindo com estruturas nano-estruturadas. O baixo custo computacional deste método faz com que seja atrativo para o mapeamento de P e η em função da posição relativa do EQ e do MHNE. Esse mapeamento é uma ferramenta útil para entender o comportamento de decaimento de todo o sistema, já que os EQs são arbitrariamente distribuídos e orientados dentro do MHNE. A curva de decaimento calculada analiticamente permite que a eficiência quântica efetiva do sistema (ηeff) e o fator de Purcell (Peff) sejam obtidos diretamente, assumindo múltiplas fontes eletromagnéticas arbitrariamente distribuídas. Neste sentido, propomos aqui um novo procedimento para otimizar os parâmetros geométricos do MHNE visando a maximização de ηeff enquanto Peff é aumentado à um valor desejado. Aplicamos o modelo proposto a um MHNE composto por nove camadas de Ag/SiO2, com a camada de polímero embutida com Rodamina 6G, visando maximizar ηeff para um aumento de dez vezes de Peff. Este procedimento permitiu que o ηeff fosse incrementado em 69% e 170% para nano-estruturas uni e bidimensionais, respectivamente. Além disso, o tempo necessário para construir os mapas P e η (utilizados no cálculo da curva de decaimento) é reduzido em aproximadamente 96% quando comparado com os calculados numericamente via FDTD. Este procedimento abre caminho para o desenvolvimento de novas fontes de luz de alta velocidade e eficiência para aplicações de telecomunicações.

Orientador: Rafael Sfair / Resumo: O estudo dos anéis planetários pode ser usado como laboratório para a compreensão do processo de formação e dinâmica planetária. Anéis planetários são formados por partículas pequenas que sofrem a ação de diversas forças, além da força gravitacional. O estudo da dinâmica dos anéis pode ser abordado através de simulações numéricas para o problema de N-corpos. Neste trabalho apresentamos a adaptação do pacote REBOUND (Rein & Liu, 2012) através da inclusão de forças perturbativas para estudar a dinâmica de anéis planetários. Uma fonte de perturbação de origem gravitacional é devida ao formato não esférico do planeta, que pode ser representado com precisão até a expansão do potencial do termo J6. Além dessa, as principais são a força eletromagnética e a pressão de radiação solar. Também atuam forças de arrasto, como o de Poynting-Robertson e, eventualmente, as forças devido a atmosfera e do plasma. Embora sejam mais fracas, essas forças alteram a energia orbital das partículas e dominam a dinâmica em longos períodos de tempo. Abordamos essas forças através do REBOUND e verificamos os principais efeitos de cada uma das forças, cuja força devido ao formato não esférico do planeta causa uma precessão na longitude do pericentro, enquanto a força eletromagnética causa uma regressão e que ambas combinadas contribuem uma com a outra alterando a taxa de variação da longitude do pericentro. Já a força da pressão de radiação altera o formato da órbita e as forças de arrasto diminuem o semi... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Mestre

A grande maioria da população mundial está crescentemente exposta à radiação eletromagnética proveniente de fontes que muitas vezes estão localizadas nas proximidades do corpo. A radiação eletromagnética é considerada um agente possivelmente cancerígeno para as pessoas, classificação 2B indicada pela Organização Mundial da Saúde-OMS (WHO/IARC, 2011). Devido às preocupações em relação aos riscos associados a esta exposição existem normas que recomendam os valores máximos de exposição permitidos (ICNIRP, 1998; FCC, 2001). A correta avaliação das doses de radiação é, portanto, relevante. Este trabalho tem a finalidade de avaliar o impacto dos resultados do cálculo da dose da Taxa de Absorção Específica (SAR) em usuários expostos a radiação por tablets operando na faixa de radiocomunicações Wi-fi. Os três modelos existentes de cabeça humana utilizados serão um manequim homogêneo SAM phantom e dois modelos de cabeça realistas heterogêneos: um adulto masculino e uma criança masculina. Será também utilizado nas simulações um modelo masculino de criança que foi desenvolvido através de imagens de tomografia computadorizada (TC) pelo processo de segmentação feito no software AMIRA. Será utilizado um modelo genérico de tablet. Os parâmetros dosimétricos usados para simulação da SAR serão computados pelo software SEMCAD X que é baseado no Método das Diferenças Finitas no Domínio do Tempo (FDTD). Será criado também um código do Método FDTD através do software MATLAB que servirá para a escolha dos parâmetros do SEMCAD X. A distância entre o tablet e os modelos de cabeças varia de 50 mm a 300 mm. Os resultados da SAR serão comparados com os limites de exposição recomendados pelas normas internacionais. Também serão simuladas diferentes posições da antena no tablet. Da análise dos resultados foi constatado que os valores de SAR são muito baixos e todos os resultados ficaram dentro dos limites do psSAR recomendados pela FCC de 1,6 W/kg em cada 1 g de tecido e de 2 W/kg em cada 10 g de tecido estabelecidos pela ICNIRP. Comparando os valores de SAR do modelo SAM com o modelo DUKE, o modelo SAM se mostra conservador, porém quando a comparação é feita com as crianças o SAM deixa de ser conservador. / The vast majority of the world population is increasingly exposed to electromagnetic radiation from sources which are often located near to the body. Electromagnetic radiation is considered a possible carcinogen for people, classification 2B indicated by the World Health Organization-WHO (WHO/IARC, 2011). Due to concerns regarding the risks associated with this exposition there are regulations suggesting maximum allowed exposure values (ICNIRP, 1998; FCC, 2001). The correct evaluation of radiation doses is therefore relevant. This work aims to assess the impact of the results of the calculation of Specific Absorption Rate dose (SAR) in users exposed to radiation from tablets operating in the Wi-fi band. The three existing models of human head used are a homogeneous dummy SAM phantom and two heterogeneous realistic head models: a male adult and a male child. It will also be used in the simulations a male child model which was developed from computed tomography (CT) imaging using the AMIRA software for the segmentation process. A generic model of tablet is used. Dosimetric parameters used for simulation of the SAR are computed using the SEMCAD X software which is based on the Finite Difference Method in Time Domain (FDTD). A FDTD code was developed using the MATLAB software in order to help to choose the input SEMCAD X parameters. The distances between the tablet and the head of the models varies from 50 mm to 300 mm. SAR results are compared with the exposure limits recommended by international standards. Different antenna positions on the tablet are simulated too. Examining the results it was found that the SAR values are very low and all results are within the psSAR limits recommended by FCC (1,6 W/kg averaged over 1 g of tissue) and by ICNIRP (2 W/kg in 10 g of tissue). Comparing the SAR in the SAM model with the SAR in the DUKE model, the SAM model shows to be conservative. However, when compared with the children, the SAM is not conservative.

Esta tese propõe uma metodologia para avaliar o emprego de técnicas de seleção e conversão da radiação solar para aumentar a produção de energia elétrica de células fotovoltaicas. Foi feita uma revisão dos mecanismos fotovoltaicos para produção de energia elétrica e os entraves para aumentar sua eficiência, em especial os impactos da temperatura e da absorção do espectro solar. Uma metodologia foi criada para definir um filtro óptico ótimo a ser utilizado em uma região na presença ou não de conversão do espectro, através de simulações computacionais, que define a faixa do espectro solar que deve ser absorvida pela célula para se ter o melhor equilíbrio entre absorção e aquecimento. Um modelo matemático foi criado e implementado computacionalmente, para calcular a produção de energia de um módulo fotovoltaico, em uma dada região com ou sem a aplicação de técnicas de conversão e seleção da radiação solar. Através de um estudo de caso com dados da cidade de Petrolina, PE, Brasil, concluiu-se que o ganho esperado para utilização de um filtro óptico que reflete ondas de comprimento superiores a 1000 nm é cerca de 1% da energia gerada. Ensaios empíricos permitiram validar a metodologia proposta, comparando os dados reais com os dados teóricos obtidos pelas simulações do modelo matemático. Após a calibração do modelo matemático, verificou-se que os resultados de potência instantânea calculados com o modelo matemático variavam cerca de 5% tanto para o módulo com filtro quanto para o módulo sem filtro. Para contornar a restrição construtiva do filtro óptico e verificar outros ganhos possíveis são propostos experimentos com compostos de conversão de radiação solar associados com filtros ópticos para seleção da radiação solar. Com isto, espera-se aumentar significativamente a produção de energia elétrica de células fotovoltaicas de Silício cristalino. / This thesis proposes a methodology to evaluate the use of solar radiation selection and conversion techniques to increase the production of electric energy of photovoltaic solar cells. A review of the photovoltaic mechanisms for the production of electrical energy and the obstacles to increase its efficiency, especially the impacts of temperature and the absorption of the solar spectrum was done. A methodology was developed to define an optimal optical filter to be used in a region in the presence or not of solar spectrum conversion, through computational simulations, which defines the range of the solar radiation that must be absorbed by the cell in order to have the best balance between absorption and heating. A mathematical model was created and implemented computationally to calculate the energy production of a photovoltaic module in a given region with or without the application of solar radiation conversion and selection techniques. A case study with data from the city of Petrolina, PE, Brazil, concluded that the expected gain for the use of an optical filter that reflects wavelengths above 1000 nm is about 1% of the power generated. Empirical tests allowed validating the proposed methodology comparing the actual data with the theoretical data obtained by the simulations of the mathematical model. After calibration of the mathematical model, it was verified that the instantaneous power results calculated with the mathematical model vary about 5% for both the filter module and the unfiltered module. To avoid the constructive constraint of the optical filter and to verify other possible gains are proposed experiments with solar radiation conversion compounds associated with optical filters to select the solar radiation. With this, it is expected to significantly increase the electricity production of crystalline silicon photovoltaic cells.

Made available in DSpace on 2011-03-23T21:19:27Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Item created via OAI harvest from source: http://www.bdtd.ufpa.br/tde_oai/oai2.php on 2011-03-23T21:19:27Z (GMT). Item's OAI Record identifier: oai:bdtd.ufpa.br:194 / We performthe quantization of the massless vector field in Minkowski and Schwarz-schild spacetimes, and calculate the radiated power by an electric charge in a circular orbit around an object with mass M in both spacetimes. In the Minkowski case wend the analytical expression for the radiated power using quantum field theory and assuming Newtonian gravity. It coincides with classical Larmors result, since the calculations are performed at the tree level. Since in the Schwarzschild case it is not possible to express the solution of the radial equation in terms of well known special functions, we adopt the following two approaches: analytical approximation in the low frequency limit and numerical computing. The first approach was used as a consistency check for the numerical one. We also use quantum eld theory at tree level in the Schwarzschid case, and the radiated power is obtained both in the low frequency limit as well as numerically. After comparing the results, we conclude that for the same angular velocity of the charge (as measured by asymptotical static observers), the radiated power in Minkowski spacetime is bigger than in Schwarzschild case. / Desenvolvemos a quantização do campo vetorial não massivo no espaço-tempo de Schwarzschild, e calculamos a potência irradiada por uma carga elétrica em órbita circular em torno de um objeto com massa M em ambos os espaços-tempos. Em Minkowski é encontrada a expressão analítica da potência irradiada utilizando teoria quântica de campos e assumindo gravitação newtoniana. O resultado obtido é equivalente ao resultado clássico, dado que o cálculo é realizado em nível de árvore. Dadas as dificuldades matemáticas encontradas ao se tentar obter soluções expressas em termos de funções especiais conhecidas, em Schwarzschild o problema é abordado de duas formas: solução analítica no limite de baixas freqüências, e resolução numérica. O primeiro caso serviu como cheque de consistência para o método numérico. Em Schwarzschild, o cálculo também é realizado utilizando teoria quântica de campos em nível de árvore, e a expressão da potência é encontrada analiticamente na aproximação de baixas freqüências e através de métodos numérico. Após a comparação dos resultados, concluímos que, para uma mesma velocidade angular de rotação da carga (medida por observadores estatísticos assintóticos), a potência irradiada em Minkowski é maior que a potência irradiada em Schwarzschild.

Made available in DSpace on 2016-04-28T14:16:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 HCS - Joao Batista Alves dos Reis.pdf: 4748552 bytes, checksum: b98b1c23a854d24150e6e670ba053214 (MD5) Previous issue date: 2006-11-01 / The present research aimed to show the construction of Michael Faraday s (1791- 1867) electromagnetic theory, from an architectural methodological perspective. Thus, the starting point were the supporting pillars: the notion of the unity of the forces of nature and the goal of improving the mind. Next, it was sought to identify the constitutive elements, the dialogue between which would result in a harmonious building: observation, experiment and mental images, which would lead to the studies on the relationship between electromagnetism and light. Finally, Faraday s activity in the divulgation of science was approached, which showed a coherence with his lifelong principles. The main source for analysis was Faraday s diary, Faraday s Diary: Being the Various Philosophical Notes of Experimental Investigation. Other sources included Experimental Researches in Electricity and personal letters / Nesta pesquisa procurou-se mostrar a construção da teoria eletromagnética de Faraday, guiada por um projeto arquitetônico metodológico. Para isso, partiu-se de seus pilares de sustentação: a idéia de unidade das forças da Natureza e a proposta de aperfeiçoamento da mente. Em seguida, procurou-se identificar a seleção dos elementos constituintes desse harmônico edifício construído pelo diálogo entre observações, experimentos e imagens mentais, o que conduziria aos estudos sobre as relações entre eletromagnetismo e luz. Por último, foram abordadas as atividades de Faraday na divulgação da ciência em sua época, verificando-se a coerência com os princípios seguidos em todo o curso de sua vida. Para isso foram analisados os escritos de Michael Faraday (1791-1867) em seu diário, intitulado Faraday s Diary: Being the Various Philosophical Notes of Experimental Investigation. Além disso, analisou-se o Experimental Researches in Electricity. Consultamos, ainda, trechos de sua correspondência, além de outras obras

Quando as atividades de um sistema mecatrônico são realizadas em ambientes com intenso campo elétrico e ou magnético, os dispositivos que irão executar as tarefas devem ser cuidadosamente projetados para que a presença de peças metálicas não se torne um risco. O campo elétrico pode gerar descargas elétricas e o campo magnético, exercer forças não previstas sobre peças metálicas. Assim o uso de alguns elementos, como motores elétricos, peças metálicas ou sensores eletrônicos se torna inviável. A motivação inicial para esse trabalho foi encontrar um atuador que possa ser construído sem o uso de elementos metálicos e com ele, construir um manipulador inerte a campos magnéticos e elétricos. Neste contexto, a transmissão de energia para os atuadores por meios hidráulicos ou pneumáticos se torna a opção mais indicada. Frequentemente, sistemas pneumáticos e hidráulicos apresentam atuadores com componentes metálicos, devido a resistência mecânica destes componentes. Em situações na qual os requisitos quanto a esforços são menores, elementos metálicos podem ser substituídos por materiais poliméricos de uso comum na Engenharia. Entre os atuadores hidráulicos e pneumáticos, um que já apresenta poucas partes metálicas é o músculo pneumático artificial (MPA). O MPA possui características tais como: baixo peso relacionado ao esforço gerado, escala de esforços similar a um cilindro pneumático de mesmo tamanho e construção simples. Assim, o MPA foi escolhido como atuador para o manipulador não-condutor desenvolvido neste trabalho. Adotando o MPA como elemento central, este trabalho tem por objetivo identificar as diretrizes para a aplicação do MPA na construção de um manipulador inerte a campos elétricos e magnéticos. Para isso, primeiramente foi desenvolvido um MPA livre de qualquer parte metálica. Visando sua aplicação, as características do músculo como: gama de esforços, tempo de resposta e histerese foram avaliadas através de testes. Algumas estratégias de controle do atuador foram testadas e comparadas, e com o atuador desenvolvido foi construído um manipulador inerte a campos magnéticos e elétricos. O manipulador construído tem como objetivo exercer movimentos distintos sobre a mão de um paciente, o mesmo deve acompanhar o paciente durante um exame de ressonância magnética. O atuador apresentou uma gama de esforços dentro do previsto, um tempo de resposta característico de atuadores pneumáticos e ao contrário do esperado, uma baixa histerese. Através de elementos mecânicos e com o uso de dois MPA, o manipulador foi capaz de exercer um trabalho sobre a mão de um voluntario fora do campo da RM, mostrando a viabilidade da aplicação. / When activities executed by a mechatronic system are performed in environments with strong magnetic and or electric field, the devices that will perform the tasks should be carefully designed so that the presence of metal parts does not become a risk. The electric field can generate electrical currents and the magnetic field may exert unexpected force in a metal part. Thus the use of some elements, such as electric motors, metallic parts or electronic sensors becomes unviable. The initial motivation for this work was to find an actuator that could be built without metallic elements and, using such actuator, build a manipulator inert to magnetic and electric fields. In this context, the use of hydraulic or pneumatic actuators becomes the most indicated option. Frequently, pneumatic and hydraulic systems have actuators with metal parts so as resist mechanical loads. In situations where the actuator is loaded by small loads, metal parts may be replaced by polymeric materials commonly used in Engineering. Among hydraulic and pneumatic actuators, one that already presents a few metal parts is the pneumatic artificial muscle (PAM). PAM has characteristics such as: low weight to effort ratio, simple construction as well as range of generated force and dimensions similar to a pneumatic cylinder. Thus, the PAM is chosen as the actuator for the non-conductive manipulator developed in this work. Adopting the PAM as a central element, this work aims identifying directives on using the PAM in the construction of a manipulator inert to electric and magnetic fields. For this, firstly it is developed a PAM free from any metal part. Next, the characteristics of the PAM such as range of efforts, response time and hysteresis curve are assessed through tests. Some strategies for the actuator control are tested and compared. Finally, using the developed actuator, a manipulator inert to magnetic and electric fields are constructed. The purpose of this manipulator is to induce motions to the fingers of a patient hand while the patient is examined in a MRI (magnetic resonance imaging) equipment. The actuator presented a range of efforts according to expectations, a response time compatible with pneumatic actuators and, contrary to expectations, low hysteresis.

Nos últimos 20 anos, o inversor de frequência PWM passou a ser largamente utilizado. Dentre as razões principais de sua ampla difusão, cita-se a introdução do IGBT que, devido à sua capacidade de comutação rápida, possibilitou a redução de perdas, tamanho e custo dos conversores, ao mesmo tempo em que permitiu o uso do motor de indução em aplicações que demandam alto desempenho dinâmico. Porém, esta mesma característica que trouxe tais benefícios, contribuiu para acentuar os efeitos relacionados a fenômenos eletromagnéticos, devido à rápida transição que produz sinais em alta frequência, responsáveis por tornar os sistemas de acionamentos potenciais fontes de interferência eletromagnética. Os principais fenômenos desta natureza são a tensão de onda refletida, associada a ruídos de modo diferencial, e a corrente de modo comum. De maneira geral, a corrente de modo comum tem maior potencial de contribuição para a emissão radiada que a de modo diferencial e, em sistemas de acionamento, constitui a principal fonte de interferência eletromagnética. Esta não é resultado apenas da rápida comutação dos IGBTs, mas, também, da configuração do sistema, que propicia o surgimento das tensões de modo comum. Este trabalho visa estudar alternativas que minimizem, naturalmente, estas tensões através de sua configuração, reduzindo-se a necessidade de novos componentes, como filtros passivos ou circuitos ativos. Ressalta-se, assim, que o primeiro passo consistiu-se na compreensão do problema de geração da tensão de modo comum. Visando atingir os propósitos anteriormente mencionados, foi idealizado um inversor, composto de duas pontes chaveando em oposição, chamado de duplo-trifásico. A partir de simulações, avaliou-se seu potencial e definiu-se sua implementação, a partir de dois inversores idênticos. Testou-se o protótipo contra um terceiro módulo de mesmo tipo, em iguais condições. A comparação dos resultados indicou que a configuração proposta pode ser eficiente no controle do ruído de modo comum, obtendo-se valores de redução de 86%. Nota-se que o comportamento observado via o protótipo, permite um melhor entendimento dos fenômenos relativos à circulação da corrente de modo comum. Desta forma, à luz da pesquisa realizada, nota-se que, conceitualmente, a solução proposta se destaca das demais apresentadas na literatura pela sua exequibilidade e simplicidade. / Over the last 20 years, the PWM frequency inverter has become widely used. Among the main reasons for its widespread distribution is the introduction of the IGBT, due to its ability for fast switching allowing the reduction of losses, size and cost of the converters, and the use of the induction motor in applications that demand high dynamic performance. However, this same characteristic that brought such benefits, stressed the effects related to electromagnetic phenomena, due to the fast transition that produces high frequency signals, responsible for turning drive systems, potential sources of electromagnetic interference. The main phenomena of this nature are the reflected wave overvoltage, associated with differential mode noise, and the common mode current. In general, the common mode current has greater potential of contribution to the emission of radiated interference than the differential mode current and is the main source of electromagnetic interference in drive systems. The common mode current is not just the result of the fast transitions of IGBTs, but also of the system configuration, which produces common mode voltages. This work aims to study alternatives that minimize, naturally, those voltages through its configuration, reducing the need for additional components, such as passive filters or active circuits. It is pointed, that the first step consisted in the understanding of the problem of the common mode voltage generation. In order to address this objective, an inverter composed of two bridges, switching in opposition, called double-three-phase was designed. Its potential for noise mitigation, as well, its implementation, with two identical inverters was evaluated by simulations. The prototype was tested against a third module of the same type, under the same conditions. The comparison of the results indicated that the proposed configuration can be efficient in the common mode noise control, with 86% reduction. The behavior observed through the prototype allows a better understanding of the phenomena involving common mode current. Thus, in the light of the research, we note that, conceptually, the proposed solution stands out for its practicality and simplicity, from the others presented in the literature.

Esta dissertação apresenta modelagem matemática e um método de solução numérica para problemas de conformação eletromagnética de chapas metálicas finas circulares utilizando uma bobina em espiral plana. O método foca especificamente o cálculo do campo eletromagnético gerado pela bobina e análise do circuito que modela o sistema de estampagem eletromagnética. A bobina plana é aproximada por círculos concêntricos carregando a corrente de descarga dos capacitores. Os cálculos das correntes induzidas e perfil da força eletromagnética na chapa e acoplamentos magnéticos entre a bobina e chapa metálica são realizados para o instante inicial, antes da deformação plástica da chapa. O método utiliza a lei de Biot-Savart, sendo que a solução das integrais obtidas para indução magnética é realizada através de métodos numéricos, considerando as simetrias do problema. Para verificação da modelagem matemática, da solução numérica e comprovação da viabilidade técnica deste processo, um dispositivo de estampagem eletromagnética foi desenvolvido e diversos experimentos foram realizados com chapas de alumínio. Os parâmetros investigados foram a espessura da chapa a ser deformada e a influência da presença de vácuo na cavidade da ferramenta. Os resultados experimentais demonstram concordância com os resultados da modelagem proposta. A presença de vácuo também demonstrou um incremento na deformação da chapa. A rotina desenvolvida no software Matlab fornece informações importantes para o processo e permite que se faça ajustes no dispositivo. / This dissertation presents a mathematical model and numerical method to solve the problems of electromagnetic forming of thin circular metal sheets by using a flat spiral coil. The method focuses specifically on the calculation of the electromagnetic field generated by the coil flat and circuit analysis modeling system electromagnetic forming. The flat coil is approximated by concentric circles carrying a discharge current of capacitors. The calculations of induced currents and profile of the electromagnetic force on the plate and magnetic coupling between the coil and sheet metal are made to the initial time, before the plastic deformation of the plate. The method uses the law of Biot-Savart, and the solution of the integral obtained for magnetic induction is performed by numerical methods, considering the symmetries of the problem. To verify the mathematical model, the numerical solution and proving the technical feasibility of this process, a electromagnetic forming device was developed and several experiments were made with aluminum plates. The parameters investigated were the thickness of the plate to be deformed and the influence of the vacuum in the cavity of the tool. The experimental results show agreement with the results of the proposed model. The presence of vacuum also showed an increase in the deformation of the plate. A routine developed in software Matlab provide important information for the process and allow to make adjustments on the device.