This research studies a Transcutaneous Energy Transfer (TET) system which uses electromagnetic fields to transfer power from outside the body to an artificial organ (AO) in the body. It works like a high frequency transformer whereas the skin is part of the magnetic coupling between the primary (external) and secondary (internal) coils. Thus, the external coil (transmitter), which is excited by an oscillator circuit that transforms the continuous (DC) voltage to high-frequency alternating (AC) voltage, transfers energy to an internal system (receiver) containing a coil associated with a rectifier-regulator circuit to supply power to the AO and an internal rechargeable battery. Due to the diversity of research areas in TET systems, this thesis focused mainly on the TET coils, exploring few aspects of the electronic circuits which directly affect the proper design of the coils. Simulations of different configurations of coils (with different magnetic material types and different core geometrical dimensions) and different electrical parameters were performed via Finite Element Method (FEM) applications. Analyses of the results of these simulations with and without serial resonant capacitors (SRCs) observed the behavior of the coils considering the efficiency, regulation, specific absorption rate (SAR) and current density induced in the skin. These results also facilitated an optimization procedure using Kriging method without the need for new simulations via FEM. In parallel with the optimization procedure, different physical prototypes were created and tested to validate the simulations and explore the behavior of the coils. The temperature increase of the coils and the threshold limits of the electronic circuits were observed, suggesting new optimization strategies. Since the computation of the temperature is too complicated, the temperature rise was indirectly considered in this research by the use of a factor called thermo factor, which represents the relationship between the dissipated power and the area of the coil. Moreover, since the AO requires a constant power, the load of the TET system was modeled as a variable resistance. This thesis proposed an algorithm to compute this value of the variable resistance directly in the FEM simulations. Thus, another optimization procedure was proposed with the new mentioned strategy by directly interacting with the FEM application. In this second case, homogenization methods were used to simplify the mesh without neglecting eddy current, proximity and skin effects, thus allowing accurate simulations of coils with thicker wire gauges and at higher frequencies. In the end, the results of both simulations were briefly discussed to evaluate configurations eligible for construction or assembly. / Esse trabalho estuda um sistema de transferência de energia transcutâneo (TET) que, tal qual um transformador de alta freqüência, usa campos eletromagnéticos para transferir potência de fora do corpo a um órgão artificial dentro do corpo. Assim, a pele passa a ser parte do acoplamento magnético entre o primário (bobina externa) e o secundário (bobina interna). Dessa forma, a bobina externa (transmissor) é excitada por um circuito oscilador, gerando corrente alternada de alta freqüência e transfere energia ao sistema secundário interno (receptor) que contém uma bobina associada a um circuito retificador seguido de amplificadores e reguladores para alimentar o órgão artificial e/ou uma bateria recarregável interna. Devido à diversidade de áreas para pesquisar, esta tese teve as bobinas de TET como objetivo principal, explorando alguns aspectos dos circuitos eletrônicos que afetam diretamente o projeto adequado das bobinas. Simulações de diferentes configurações de bobinas (com diferentes tipos de material magnético e diferentes dimensões geométricas dos núcleos) e diferentes parâmetros elétricos foram realizados através de softwares de Método dos Elementos Finitos (FEM). Essas análises com e sem capacitores de ressonância série (SRCs) observaram o comportamento das bobinas considerando o rendimento, a regulação, a taxa de absorção específica (SAR) e densidade de corrente induzida na pele. Os resultados dessas simulações também facilitou um procedimento de otimização usando o método de Kriging, sem a necessidade de novas simulações via FEM. Em paralelo com o processo de optimização, diferentes protótipos físicos foram criados e testados para validar as simulações e explorar o comportamento das bobinas. O aumento da temperatura nas bobinas e os limites dos circuitos eletrônicos foram observados, sugerindo novas estratégias de otimização. Uma vez que o cálculo da temperatura é demasiado complicado, esta pesquisa sugere o uso de um fator, aqui denominado \"fator térmico\", para indiretamente considerar esse aumento de temperatura. Além disso, uma vez que o AO requer uma potência constante, a carga do transformador de TET foi modelada como uma resistência variável. Esta tese propõe um algoritmo para calcular este valor de resistência variável diretamente nas simulações com FEM. Assim, foi proposto um outro procedimento de otimização com a nova estratégia mencionada, interagindo diretamente com a aplicação de FEM. Neste segundo caso, os métodos de homogeneização foram utilizados para simplificar a malha sem ignorar correntes de Foucault, e os efeitos pelicular e de proximidade, permitindo simulações precisas de bobinas com fios mais grossos e em frequências mais altas. Os resultados de ambas as simulações foram discutidos brevemente no final para avaliar configurações elegíveis para serem montadas.

É explícito e inegável que em minha experiência profissional pude observar que nossas escolas trabalham às cegas, no que se refere às práticas de ensino e aprendizagem, demandando assim uma enorme necessidade de mudança. É irrefutável que a prática de ensino e aprendizagem adotada pelas escolas estaduais segue uma abordagem tradicional, quando o professor aborda conceitos abstratos de forma expositiva utilizando apenas lousa e giz, muitas vezes sem conectar tais conceitos com o cotidiano. Em face do desinteresse e da dificuldade dos alunos no que tange o ensino de física, em especial no eletromagnetismo, apresento neste trabalho uma unidade de ensino que acredito ser enriquecedora para regência de aula do professor, pois abordamos o eletromagnetismo de forma diferenciada do método tradicional. Para isso foram abordados conceitos de eletricidade, magnetismo e eletromagnetismo conectando-os com situações experimentais para facilitar sua significação pelos alunos. Buscou-se por meio da unidade que os alunos pudessem compreender o funcionamento de um artefato tecnológico de uso social, a Usina Hidrelétrica. Concomitantemente com a experimentação foram utilizadas outras formas de representação como: formalismo matemático, animações, simulações e exposição. Este trabalho foi desenvolvido com 19 alunos do primeiro ano de ensino médio na Escola Estadual Doutor Emílio da Silveira, localizada na cidade de Alfenas, Minas Gerais. Os 19 alunos de turmas diferentes se inscreveram voluntariamente para pesquisa. Durante o desenvolvimento da unidade de ensino as aulas foram registradas em áudio e vídeo e em atividades escritas pelos estudantes. Esses registros foram posteriormente analisados no que se refere as compreensões dos estudantes e possíveis deslocamentos dos mesmos sobre conceitos importantes para o funcionamento de uma Usina Hidrelétrica. Os resultados indicaram que a aplicação desta unidade transcorreu como o planejado, os alunos tiveram contato com experimentos, o que permitiu que fossem construindo conhecimentos a partir de elementos concretos em associação com elementos abstratos. Houve uma melhora significativa entre concepções iniciais e posteriores sobre conceitos de eletromagnetismo. Os estudantes apresentaram respostas diversificadas, no decorrer da unidade, não se restringindo à reprodução do que era dito pelo autor. Observamos ainda que no final da unidade grande parte dos alunos preocuparam com a utilização correta de termos científicos e com o domínio desses termos. / Our schools are blind to teaching and learning approaches, what implicates a huge necessity of changes. In fact, the public schools’ practices are traditional, namely, concepts are taught through abstract lectures, without connection to its material reality, and teachers are used to employ only black board and chalk. Due to the lack of interest and the difficulties showed by students in learning physics, especially in electromagnetism, we present a teaching unity that avoid the traditional teaching method and, we believe, that will enrich the teacher’s practice. Therefore, concepts of electricity, magnetism and electromagnetism were linked to experimental situations to make their signification easier for students. Through this teach unity, our aim was that students could understand a technological artefact of social use, Hydroelectric Power Plants. Simultaneusly with experiments, we applied other forms of representation: mathematical formalism, animations, simulations and lectures. This work was developed among 19 students in first year of high school at Escola Estadual Doutor Emílio da Silveira, in Alfenas, Minas Gerais. During the development of the teaching unity, the classes were recorded in audio and video and students did writing activities. We analyzed this data searching for students’ conceptions and their changes in relation to important concepts for the understanding of Hydroelectric Power Plants. The results show that the development of the teach unit occurred as planned, since the contact of students with experiments allowed them to build abstract knowledge linked to concrete elements. There was improvements between initial and final conceptions of students about electromagnetism concepts. Students presented diversified answers, during the teaching unit, their answers were not restricted to reproductions of the teacher’s speech. Besides that, students were concerned about the use of scientific language. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES

Submitted by Cleide Dantas (cleidedantas@ufpa.br) on 2014-05-28T15:36:55Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Tese_Modelagem1d2.5dDados.pdf: 6036247 bytes, checksum: 09857d990695852fd78d1d492571ec9e (MD5) / Rejected by Irvana Coutinho (irvana@ufpa.br), reason: Definir palavras-chave on 2014-08-06T16:23:28Z (GMT) / Submitted by Cleide Dantas (cleidedantas@ufpa.br) on 2014-08-27T14:13:55Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Tese_Modelagem1d2.5dDados.pdf: 6036247 bytes, checksum: 09857d990695852fd78d1d492571ec9e (MD5) / Approved for entry into archive by Irvana Coutinho (irvana@ufpa.br) on 2014-09-10T16:36:35Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Tese_Modelagem1d2.5dDados.pdf: 6036247 bytes, checksum: 09857d990695852fd78d1d492571ec9e (MD5) / Made available in DSpace on 2014-09-10T16:36:35Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Tese_Modelagem1d2.5dDados.pdf: 6036247 bytes, checksum: 09857d990695852fd78d1d492571ec9e (MD5) Previous issue date: 2014 / CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / INCT/GP - Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Geofísica do Petróleo / Neste trabalho apresentamos a solução do campo eletromagnético gerado por um dipolo elétrico horizontal em meios transversalmente isotrópicos com eixo de simetria vertical (TIV) e com eixo de simetria inclinado (TII). Para modelos unidimensionais, o campo eletromagnético foi obtido por duas metodologias distintas: (1) solução semi-analítica das equações de Maxwell com auxílio de potenciais vetores no caso TIV e (2) em modelos com anisotropia transversal inclinada o campo eletromagnético foi separado em primário e secundário, e então, o campo secundário foi calculado pelo método de elementos finitos no domínio (kx, ky, z) da transformada de Fourier. Para estruturas bidimensionais, foi aplicada a mesma metodologia usado nos modelos TII unidimensionais, onde o campo secundário foi calculado pelo método de elementos finitos no domínio (x, ky, z), da transformada de Fourier, com a utilização de malhas não estruturadas para discretização dos modelos. Estas respostas foram usados para avaliar os efeitos da anisotropia elétrica nos dados CSEM marinho 1D e 2,5D. / In this work I present the solution to the electromagnetic field generated by a horizontal electric dipole in transversally isotropic media with vertical (TIV) as well as inclined (TII) symmetry axis. In one-dimensional models the electromagnetic field was obtained with two distinct methods: (1) For the TIV case, I have written a semi-analytical solution to the Maxwell’s equations, by using a vector potential formulation; (2) For the TII case, the field was represented as the composition of primary and secondary fields, where primary fields are those found in an underlying isotropic layered medium, and the secondary field is calculated numerically via the finite element method in the spatial Fourier transform domain (kx, ky, z). This last methodology was also used to calculate the fields in two-dimensional structures, including inclined anisotropy in any region of the models. In this 2,5D case, I have applied the finite element method in the (x, ky, z) do main. Here I have used unstructured meshes to discretise the media, and parallel programming to solve the linear systems of equations. The responses were used to study the effects of electrical anisotropy in marine CSEM data.

Submitted by Cleide Dantas (cleidedantas@ufpa.br) on 2014-06-16T13:16:53Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_DecomposicaoValoresSingulares.pdf: 16240426 bytes, checksum: 767de73b32cdecb8dff222f9af1b7603 (MD5) / Rejected by Irvana Coutinho (irvana@ufpa.br), reason: Definir palavras-chave on 2014-08-06T16:33:39Z (GMT) / Submitted by Cleide Dantas (cleidedantas@ufpa.br) on 2014-09-05T14:31:45Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_DecomposicaoValoresSingulares.pdf: 16240426 bytes, checksum: 767de73b32cdecb8dff222f9af1b7603 (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Rosa Silva (arosa@ufpa.br) on 2014-09-19T14:26:16Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_DecomposicaoValoresSingulares.pdf: 16240426 bytes, checksum: 767de73b32cdecb8dff222f9af1b7603 (MD5) / Made available in DSpace on 2014-09-19T14:26:16Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_DecomposicaoValoresSingulares.pdf: 16240426 bytes, checksum: 767de73b32cdecb8dff222f9af1b7603 (MD5) Previous issue date: 1992 / PETROBRAS - Petróleo Brasileiro S.A. / CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / FINEP - Financiadora de Estudos e Projetos / FADESP - Fundação de Amparo e Desenvolvimento da Pesquisa / Neste trabalho, a decomposição em valores singulares (DVS) de uma matriz A, n x m, que representa a anomalia magnética, é vista como um método de filtragem bidimensional de coerência que separa informações correlacionáveis e não correlacionáveis contidas na matriz de dados magnéticos A. O filtro DVS é definido através da expansão da matriz A em autoimagens e valores singulares. Cada autoimagem é dada pelo produto escalar dos vetores de base, autovetores, associados aos problemas de autovalor e autovetor das matrizes de covariância ATA e AAT. Este método de filtragem se baseia no fato de que as autoimagens associadas a grandes valores singulares concentram a maior parte da informação correlacionável presente nos dados, enquanto que a parte não correlacionada, presumidamente constituída de ruídos causados por fontes magnéticas externas, ruídos introduzidos pelo processo de medida, estão concentrados nas autoimagens restantes. Utilizamos este método em diferentes exemplos de dados magnéticos sintéticos. Posteriormente, o método foi aplicado a dados do aerolevantamento feito pela PETROBRÁS no Projeto Carauari-Norte (Bacia do Solimões), para analisarmos a potencialidade deste na identificação, eliminação ou atenuação de ruídos e como um possível método de realçar feições particulares da anomalia geradas por fontes profundas e rasas. Este trabalho apresenta também a possibilidade de introduzir um deslocamento estático ou dinâmico nos perfis magnéticos, com a finalidade de aumentar a correlação (coerência) entre eles, permitindo assim concentrar o máximo possível do sinal correlacionável nas poucas primeiras autoimagens. Outro aspecto muito importante desta expansão da matriz de dados em autoimagens e valores singulares foi o de mostrar, sob o ponto de vista computacional, que a armazenagem dos dados contidos na matriz, que exige uma quantidade n x m de endereços de memória, pode ser diminuída consideravelmente utilizando p autoimagens. Assim o número de endereços de memória cai para p x (n + m + 1), sem alterar a anomalia, na reprodução praticamente perfeita. Dessa forma, concluímos que uma escolha apropriada do número e dos índices das autoimagens usadas na decomposição mostra potencialidade do método no processamento de dados magnéticos. / The singular value decomposition of a matrix A, n x m, which represents a magnetic anomaly, can be seen as a bidimensional coherence filtering method which separates the correlated information from noncorrelated information in a magnetic data matrix A. The filter is defined by expansion of matrix A into eigenimages and singular values. Each eigenimage is constructed by the scalar product of the base vectors and eigenvectors, which are associated with the eigenvectors and eigenvalues of the covariance matrices ATA and AAT. This filtering method is based on the fact that the eigenimages, which are associated with large singular values, concentrate the major part of the correlated information present in the data, while the noncorrelated part, including noise caused by external magnetic sources, compilation errors, and shallow magnetic sources comprise the remaining eigenimages. This method was employed on many examples of synthetic and real data from PETROBRÁS' Carauari-Norte project (Solimões Basin) in order to investigate the utility of the method in the identification, elimination and attenuation of noise present on magnetic data and as a possible method for enhancing certain features generated by anomalies of shallow and deep origin. This work suggests the desirability of introducing both static and dynamic shift on magnetic lines to enhance the correlation (coherence) between the magnetic lines. This shift concentrates the correlated signal in the first few eigenimages. Another important aspect of this decomposition into eigenimages and eigenvalues is the savings gained in storage of a matrix A of n x m units. Memory requerements can be diminished considerably by using p autoimages, i. e. p x (n + m + 1) units without altering the form of the anomaly. We conclude that an appropriate choice of eigenimages generated by SVD decomposition shows good promise as a processing method in magnetic data.

O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de um pós-processador para um software baseado no método dos elementos finitos destinado a problemas de eletromagnetismo. Três métodos de determinação de torque de origem eletromagnética são abordados e comparados do ponto de vista da precisão e implementação, quais sejam: variação da energia magnética, integração do tensor de Maxwell e princípio do trabalho virtual (derivada do jacobiano local). Dois métodos são propostos para a determinação de reatâncias de eixo direto e em quadratura de máquinas síncronas. A metodologia é aplicada na análise de um motor síncrono de relutância de 15 hp, 380v, 4 pólos, cujos resultados são apresentados no capítulo IV. / The aim of this work is to develop a post-processor for use with an electromagnetism-oriented software based upon the Finite Elements Method. Three methods for determining electromagnetic torque are presented and compared in terms of precision and implementation: (i) Variation of Magnetic Energy, (ii) Maxwell Stress Method and (iii) Virtual-work Principle (Local Jacobian Derivative). Two methods for calculating direct-axis and quadrature-axis reactances of synchronous machines are proposed. The methodology is applied in the analysis of a 15 HP, 380 v, 4-pole reluctance synchronous motor and the results are presented in Chapter IV.

Neste trabalho é estudada a convergência no método dos elementos finitos (MEF) quando da sua aplicação a dispositivos eletromagnéticos com características não lineares, ou seja, constituídos de materiais ferromagnéticos com curva de magnetização BxH que apresenta o fenômeno da saturação magnética. O método de Newton-Raphson é o método numérico utilizado para a resolução do sistema de equações não linear gerado. São abordadas versões desse método que utilizam fator de relaxação, bem como técnicas para a otimização desse fator, com o intuito de acelerar a sua convergência, mostrando sua efetividade. Aborda-se também a influência da escolha do modelo para a característica B(H) dos materiais ferromagnéticos, tanto em termos de desempenho computacional quanto de precisão. Duas classes de modelos para a curva vxB², bem como para sua derivada dv/dB², são analisados, quais sejam: modelos analíticos e modelos interpoladores. Dentre os modelos analíticos destacam-se os modelos de O\'Connor, Marrocco e de Brauer (exponencial). Os modelos interpoladores utilizados foram de Akima e Spline cúbica. Além do tratamento de materiais com características não lineares, também se realizou um breve estudo da aplicação de materiais do tipo ímã permanente e sua formulação pelo MEF. Outro aspecto avaliado foi a influência de diferentes métodos de resolução do sistema linear de equações algébricas na convergência do método de Newton-Raphson, como o ICCG, BiCGStab, decomposição LU e Wavelet-based Multigrid. Os resultados obtidos mostraram a potencialidade desta última técnica em termos de ganho de desempenho global da solução. / This work presents a study on the convergence of non-linear finite analysis applied to the modeling of electromagnetic devices with plane symmetry. Three aspects have been thoroughly investigated which have influence on the convergence performance, namely: the relaxation factor in the Newton-Raphson algorithm, the model of the magnetization curve and the choice of the linear solver. It is shown that convergence acceleration of the Newton-Raphson algorithm can be achieved with the use of a relaxation factor, along with numerical techniques for optimizing this factor, such as Line Search or the Brent method. Several models for the magnetization curve, both analytical (O\'Connor, Marrocco, Brauer) and interpolation-based (Akima and Cubic Splines), have been analised and comparisons in terms of their computational efficiency, as well as accuracy, are presented in order to give some guidance to the choice of the model. The influence of several linear solvers in the convergence of the Newton-Raphson algorithm has finally been investigated. The following linear solvers have been compared: LU decomposition , ICCG, BiCGStab and Wavelet-based Multigrid. The results show the superiority of the latter to improve the overall computational performance of the solution.

Submitted by camilla martins (camillasmmartins@gmail.com) on 2017-02-21T17:53:55Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_SinteseSuperficiesSeletivas.pdf: 1515205 bytes, checksum: a5d7b90fcc0bd0efad0bc1f748f51495 (MD5) / Approved for entry into archive by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2017-02-22T16:06:43Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_SinteseSuperficiesSeletivas.pdf: 1515205 bytes, checksum: a5d7b90fcc0bd0efad0bc1f748f51495 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-02-22T16:06:43Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_SinteseSuperficiesSeletivas.pdf: 1515205 bytes, checksum: a5d7b90fcc0bd0efad0bc1f748f51495 (MD5) Previous issue date: 2015-08-19 / A evolução da computação tem possibilitado avanços substanciais em pesquisas relacionadas à engenharia e em projetos industriais. Nestas áreas, o emprego de ferramentas computacionais tem se intensificado para simulação e obtenção de determinados parâmetros do projeto. No entanto, a crescente demanda por precisão e o aumento gradativo da complexidade das estruturas e sistemas, resulta num processo de simulação cada vez mais demorado, pois a avaliação de um único critério pode consumir várias horas, bem como vários dias ou até mesmo semanas. Logo, um método que minimize o tempo de simulação e otimização, pode, assim, economizar tempo e dinheiro. Nesse contexto, a computação bioinspirada (bioinspired computing - BIC), se apresenta precisa e eficiente, onde muitos métodos computacionais tradicionais falham e, consiste em novo mecanismo para suprir tais dificuldades. Assim, neste trabalho, é realizado um estudo acerca de alguns dos algoritmos BIC mais utilizados na atualidade para projeto e otimização de problemas gerais na engenharia e na indústria. Doravante, se vislumbra desenvolver um código de otimização meta-heurístico multiobjectivo que apresente menor custo computacional e, consequentemente, menor tempo para processamento dos dados. Inicialmente, é realizada uma investigação eletromagnética das superfícies seletivas de frequência triangulares estudadas, através de simulações computacionais. A análise numérica de onda completa é feita pela técnica das integrais finitas com o auxílio de um software comercial muito utilizado para simulações em eletromagnetismo. O processo de síntese consiste em sintonizar a frequência de ressonância das estruturas e a largura de banda de acordo com os objetivos inseridos na função custo dos algoritmos de otimização. A modelagem das estruturas é realizada por uma rede neural artificial e o processo de otimização é realizado por algoritmos meta-heurísticos. Os resultados obtidos por esses códigos são comparados aos simulados pelo software comercial e aos medidos. Observou-se boa concordância entre os resultados simulados e medidos, bem como uma substancial redução no menor tempo de processamento das estruturas. Por fim, são apresentadas as conclusões e as propostas para trabalhos futuros. / The evolution of computing has made possible substantial advances in research related to engineering and industrial projects. In these areas, the use of computational tools has been intensified for simulation and obtaining certain parameters of the project. However, the growing demand for precision and the gradual increase of the complexity of the structures and systems, results in a simulation process increasingly time-consuming, because the evaluation of a single criterion can consume several hours, as well as several days or even weeks. Therefore, a method that maximizes the time of simulation and optimization, can thus save time and money. In this context, bioinspired computing (BIC), presents accurate and efficient, where many traditional computational methods fail and consists of new mechanism to address such difficulties. Thus, in this work, a study about some of the algorithms used today for BIC design and optimization of general problems in engineering and industry. From now on, one sees develop a metaheuristic optimization code to provide lower-cost computational multiobjective and, consequently, less time for data processing. Initially, an electromagnetic research of frequency selective surfaces with triangular patch elements is done by computer simulations. The numerical analysis is carried out using a full-wave technique based on finite integrals implemented on commercial software performed for simulations in electromagnetism. The synthesis process consists of tuning the resonant frequency of the structures and the bandwidth according to the objectives in the cost function optimization algorithms. The modeling of structures is performed by an artificial neural network and optimization process is performed by meta-heuristics algorithms. The results obtained by these codes are compared to simulated ones by commercial software and measured. A good agreement between simulated and measured results was obtained, as well as a substantial reduction in the processing time of the structures. Finally, conclusions and proposals for further works are presented.

Desde a sua origem nos laboratórios do Bell Labs, durante a década de 70, pinças ópticas vêm sendo investigadas, desenvolvidas e diversificadas por vários grupos nacionais e internacionais incluindo, nos últimos anos, o nosso departamento (Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação - SEL/EESC/USP) e, em particular, o Grupo de Telecomunicações a ele vinculado, com propostas de aplicações em óptica biomédica e medicina. Dada a importância deste assunto, o principal objetivo deste trabalho é estender a análise teórica de forças ópticas utilizando uma descrição simples, porém eficaz, e analítica de um feixe de Bessel truncado, isto é, gerado por abertura finita. Até onde sabemos, esta é a primeira tentativa de introduzir esta investigação dos feixes originais de Durnin na literatura, e, deste modo, temos a possibilidade de contribuir com uma análise inédita de um feixe de Bessel com características físicas reais. Com a modelagem matemática dos feixe de Bessel truncados em mãos, aplicamos o cálculo de forças nos regimes de óptica geométrica e de Rayleigh e analisamos o seu comportamento quando os feixes incidem em espalhadores dielétricos esféricos. Como resultado direto deste trabalho, publicamos dois artigos descrevendo as forças ópticas no regime de óptica geométrica e de Rayleigh que um feixe de Bessel truncado causa em uma partícula dielétrica esférica. Como resultados indiretos, publicamos dois artigos com os mesmos cálculos de forças, adotando classe de feixes chamada Frozen-Waves, que é uma superposição de feixes de Bessel de mesma frequência. / Since its origins at Bell Labs laboratories, during the 1970s, optical tweezers have been researched, developed and diversified by several research groups, both nationally and internationally, including in our department (Department of Electrical and Computing Engineering - SEL/EESC/USP), in particular the Telecom Group associated to it, with several proposals with applications of optical tweezers in different fields from medicine to biomedical optics. Given the importance of this field, our main goal is to extend the theoretical analysis of optical forces using a simplest - but effective - analytical description of truncated Bessel beams (i.e. beams that are generated by finite apertures). As far we know, this is the first attempt to introduce such analysis of the originals Durnin beams in the literature, thus, we may have the chance to contribute to an unpublished study of a truncated Bessel beam with real characteristics. With such mathematical model at hands, we calculate the forces exerted by the truncated Bessel beam in ray optics and Rayleigh regime and analyze their behavior when hits dielectric spherical particles. As direct result of this work, we have published two papers describing the optical forces in ray optics and Rayleigh regime that a truncated Bessel beam causes in a spherical dielectric particle. As indirect results, we have published two papers with the same force considerations, adopting a beam class called Frozen-Waves, which is a superposition of same frequency Bessel beams.

Nesta tese realizamos três trabalhos que envolvem diferentes aspectos da espectroscopia resolvida no tempo. No primeiro discutimos brevemente a teoria e as principais técnicas para a caracterização de pulsos curtos. Analisamos detalhamente uma destas técnicas e propusemos modi cações que possibilitaram o barateamento dos custos da montagem e, além disso, introduziram novas características que sanaram alguns problemas que a montagem original apresentava e que também possibilitaram uma melhor caracterização da própria técnica. Descrevemos cuidadosamente as condições que devem ser satisfeitas pela geometria dos feixes e pelos componentes da montagem para obter uma caracterização correta dos pulsos curtos. Também apresentamos o procedimento de calibração do sistema. Pulsos com diferentes tempos e funções de fase foram caracterizados e os resultados foram validados por testes de con abilidade da informação recuperada. O trabalho seguinte foi o estudo da dinâmica molecular em líquidos puros e em misturas através da técnica efeito Kerr óptico resolvido no tempo, que é uma técnica do tipo bombeio e prova não ressonante, usando um sistema laser Ti:Sa ra com pulsos de 170 fs, centrados em 800 nm. As moléculas estudadas foram o dissulfeto de carbono (CS2), benzeno (C6H6), alilbenzeno (C9H10) e o poliestireno (PS). A teoria necessária para descrever os resultados medidos foi desenvolvida no regime temporal. O modelo de Debye para a relaxação difusiva da anisotropia orientacional descreve a componente de tempos longa, acima de um picosegundo. Partindo do Hamiltoniano de interação, desenvolvemos a teoria da função resposta linear, chegando a uma expressão para a relaxação da polarizabilidade anisotrópica, necessária para descrever os tempos curtos (subpicosegundos). Além disso, a passagem para o regime espectral utilizando somente dados experimentais, ou seja, sem a necessidade de levar em conta modelos especí cos, também foi discutida. Os resultados mostram que os tempos difusivos tanto nos líquidos puros quanto nas misturas seguem a equação de Debye-Stokes-Einstein que prevê um aumento deste tempo para viscosidades maiores. Os tempos curtos são analisados em termos da componente não difusiva da resposta espectral associada à dinâmica molecular. As alterações do espectro foram quanti cadas e a explicação para as mudanças observadas foi dada em termos das con gurações estruturais de interação que levam a uma alteração do potencial intermolecular dentro do qual as moléculas executam movimentos libracionais. Por último, investigamos a questão do modelamento de pulsos de luz incoerente. Para isto trabalhamos com um laser de corante banda larga sem elemento de seleção espectral intracavidade. A técnica utilizada foi o espalhamento forçado de luz ao qual foi acoplado um modelador composto por uma grade, uma lente e uma máscara que alterava a função de fase espectral relativa entre os feixes formadores da grade transiente na amostra de interesse. Realizamos uma análise detalhada desta montagem e obtivemos expressões para ajustar os dados medidos. Os resultados mostram que a função de correlação pode ser alterada de forma especí ca através da escolha de determinadas funções de fase espectrais.

Neste trabalho apresentamos uma investigação desenvolvida ao longo do ano de 2009 em uma disciplina de Física Básica de Eletromagnetismo da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). O objetivo foi analisar as visões de mundo e a relação dos estudantes com o relatório tradicional e com o laboratório de ensino. Dentro desta estratégia de pesquisa foi utilizado o Vê de Gowin, um instrumento heurístico muito utilizado para explicitar o processo de produção do conhecimento. Nesse contexto ele foi utilizado em contraposição ao relatório tradicional. Entendemos por relatório tradicional aquele que os alunos já estão acostumados a realizar em semestres anteriores. A teoria da aprendizagem significativa de David Ausubel foi utilizada para avaliar os roteiros já disponíveis para as atividades experimentais. Ainda nessa perspectiva, vimos a estreita relação que a teoria educativa de Gowin tem com a teoria da aprendizagem significativa, o que nos possibilitou uma visão ainda mais aprimorada dos roteiros. Destacamos que para avaliar a relação dos estudantes com as atividades experimentais, utilizamos como referencial epistemológico a contribuição de Thomas Khun. Os resultados mostram que os alunos possuem boa aceitação ao novo método de avaliação, que também conseguiu explorar de forma mais objetiva os aspectos essenciais à formação do futuro físico no que se refere ao papel da atividade experimental. Contudo, vemos que o aproveitamento dos alunos permanece constante frente à mudança avaliativa. Isto significa que a introdução do Vê não prejudica o desempenho dos alunos. Por fim, especulamos que características próprias de nossa comunidade são refletidas pelos alunos nos relatórios. / This dissertation presents a research carried out during 2009, in the discipline of Electromagnetism at introductory college level, at the Federal University of Rio Grande do Sul (UFRGS), Brazil. It aimed at analyzing the students’ worldviews and their reaction to the standard lab report model and to the lab classes. Within this research strategy, Gowin’s Vee, which is a heuristic instrument that can make explicit the knowledge production process, was used. In this context, this instrument was utilized as a counterpoint to the traditional lab report model. In our view, this traditional report is the one students are familiar with, since they have already made reports in previous semesters. Ausubel’s meaningful learning theory was used to evaluate the available guides for experimental activities. Under this perspective , we verified the close relationship that exists between Gowin’s educating theory and Ausubel’s meaningful learning theory, and this has provided us with a more refined view of such guides for experimental activities. We emphasize that, in order to evaluate the students’ relation with the experimental activities, we applied Kuhn’s contributions as part of the theoretical framework of this research. Findings indicate that students seem to react positively to the new evaluation method, and, moreover, that they seemed to explore in a more objective way the essential aspects related to the formation of the future physicist, in what concerns the role of experimental activity. Nevertheless, it was possible to notice that students’ performance remained constant in regard to this evaluative change. This might mean that the introduction of the Vee does not hinder students’ performance. Finally, it was explored to which extent the community’s main features were reflected on the students’ reports.