We developed a quantitative measurement technique using atomic force microscopy (AFM) to study the effects of both DC and AC external electric fields on the forces between two dielectric microspheres. In this work we measured the DC and AC electric field-induced forces and adhesion force between two barium titanate (BaTiO?) glass microspheres in a low humidity environment by this technique. The objective here is to find out the correlation between these measured forces and applied field strength, frequency, and the separation distance between the two spheres was studied. Since the spheres would oscillate under an AC field, the AC field-induced force was divided into dynamic component (i.e., time-varying term) and static component (i.e., time-averaged term) to investigate. The oscillatory response occurs at a frequency that is twice the drive frequency since the field-induced force is theoretically proportional to the square of the applied field. This behavior can be observed in the fast Fourier transformation (FFT) spectra of the time series of the deflection signal. The magnitude of the vibration response increases when the frequency of the drive force is near resonant frequency of the particle-cantilever probe. The amplitude of this vibration increases with proximity of the two particles, and ultimately causes the particles to repeatedly hit each other as in tapping mode AFM. The effect of the Maxwell-Wagner interfacial relaxation on the DC electric field-induced force was discovered by monitoring the variation of the field-induced force with time. The static component of the AC electric field-induced force does not vary with the applied frequency in the range from 1 to 100 kHz, suggesting that the crossover frequency may equal to or less than 1 kHz and the permittivities of the BaTiO? glass microspheres and medium dominate the field-3 induced force. The AC field-induced force is proportional to the square of the applied electric field strength. This relationship persists even when the separation between the spheres is much smaller than the diameter of the microspheres. The large magnitude of the force at small separations suggests that the local field is distorted by the presence of a second particle, and the continued dependence on the square of the field but the measured force is much larger than the theoretical results, suggesting that the local electric field around the closely spaced spheres is distorted and enhanced but the effects of the local field distortion may have not much to with the applied electric field. Compared with the calculated results from different models, our results demonstrate that the field-induced force is much more long-range than expected in theory. In addition, the DC field-induced adhesion force is larger than the AC field-induced one due to the interfacial charge accumulation, agreeing with the discovery of the Maxwell-Wagner interfacial relaxation effect on the DC field-induced force. No obvious correlation between the field-induced adhesion and the applied frequency is found. However, both the DC and AC field-induced adhesion forces display the linearity with the square of the applied electric field strength as well. / Master of Science

[EN] At present, different methods for magnetostatic force densities in a continuous medium are used. Some of them are based on models of interaction of matter with an external field and others are derived from Maxwell's tensors in matter. All of these densities are different. Current models of magnetomechanical interactions are conditioned by the choice of one of these densities. In this dissertation a new model of magnetomechanical interaction that is independent on force density adopted is proposed. The Cauchy stress tensor obtained is constituted by the addition of three components: elastic, magnetic and magnetoelastic tensors. The magnetic component is the only one dependent on force density adopted. It is found that the magnetoelastic Cauchy stress tensor is not in general symmetric and an extended magnetostatic force density that takes into account the effects of elastic interaction is defined. / [ES] En la actualidad, se emplean diferentes métodos para obtener las densidades de fuerza magnetostáticas en un medio continuo. Algunos de ellos se fundamentan en modelos de interacción de la materia con un campo externo y otros se derivan de tensores de Maxwell en la materia. Todas estas densidades son diferentes. Los modelos actuales de interacción magnetomecánica están condicionados por la elección de una de estas densidades. En esta Tesis se propone un nuevo modelo de interacción independiente de la densidad de fuerza adoptada. El tensor de Cauchy obtenido está constituido por un tensor elástico, otro magnético y otro magnetoelástico. La componente magnética es la única que depende del tensor de Maxwell o densidad de fuerza adoptada. Se constata que el tensor de Cauchy no es en general simétrico y se define una densidad de fuerza magnetostática extendida que tiene en cuenta los efectos de interacción elástica. / [CA] En l'actualitat, s'utilitzen diferents mètods per a obtenir les densitats de forces magnetostàtiques en un medi continu. Alguns d'ells tenen els seus fonaments en models d'interacció de la matèria amb un camp extern y d'altres es deriven de tensors de Màxwell en la matèria. Totes les densitats son diferents. Els models actuals d'interacció magnetomecànica estan condicionats per l'elecció d'una d'aquestes densitats. En la present Tesi es propasa un nou model d'interacció independent de la densitat de força adoptada. El tensor de Cauchy obtingut està constituït per un tensor elàstic, un magnètic i un magnetoelàstic. La component magnètica és l'única que depend del tensor de Màxwell o densitat de força adoptada. Es constata que el tensor de Cauchy no és en general simètric i es defineix una densitat de força magnetostàtica estesa que té en compte els efectes d'interacció elàstica. / Usieto Galve, A. (2016). Modelización de la interacción magnetomecánica bajo un tensor de Cauchy de tensiones magnéticas obtenido por procedimientos energéticos [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/63240

Este trabalho apresenta um método numérico para simular escoamentos viscoelásticos tridimensionais com superfícies livres governados pela equação constitutiva de Maxwell. O método numérico é uma extensão da técnica newtoniana GENSMAC3D para escoamentos viscoelásticos. As equações governantes para escoamentos incompressíveis cartesianos isotérmicos são apresentadas em detalhes. O tratamento do tensor não-newtoniano em contornos rígidos tridimensionais é apresentado em detalhes, bem como o cálculo da condição de contorno na superfície livre. As equações governantes são resolvidas pelo método de diferenças finitas numa malha deslocada tridimensional. O fluido é modelado pela técnica das partículas marcadoras e tratado como uma superfície linear por partes. O método numérico desenvolvido foi implementado no sistema Freeflow3D, e resultados numéricos obtidos na simulação de escoamentos tridimensionais governados pela equação constitutiva de Maxwell são apresentados. Adicionalmente, apresentamos uma validação mostrando a convergência do método desenvolvido nesse trabalho / This work presents a numerical method for solving three-dimensional viscoelastic flows with free surfaces governed by the Maxwell constitutive equation. The numerical method is an extension of the Newtonian technique GENSMAC3D to viscoelastic flows. The governing equations for Cartesian incompressible isothermic flows are presented in details. The treatment of the non-Newtonian tensor on three-dimensional rigid boundaries is given in details as well as the calculation of the boundary conditions on the free surface. The governing equations are solved by a finite difference method using a three-dimensional staggered grid. The fluid is described by marker particles and is represented by a piecewise linear surface. The numerical method developed in this work was implemented into the Freeflow3D system, and numerical results obtained from the simulation of complex three-dimensional flows are presented. Additionally, we present validation results and demonstrate the convergence of the method by performing mesh refinement

O presente trabalho trata do cálculo da força contra eletromotriz em carga de uma máquina síncrona com ímãs na superfície do rotor (cuja forma de onda de força contra eletromotriz é não senoidal) sendo esta alimentada por correntes de fase cujas forma de onda são quadradas. Para conduzir esta investigação e calcular a força contra eletromotriz da máquina em estudo, faz-se uma revisão sobre o Método da Permeabilidade Fixa, método este que permite a linearização do ponto de operação da máquina. Dessa forma, as simulações são conduzidas por meio do método dos elementos finitos e do Método da Permeabilidade Fixa, levando-se em conta a forma de onda da corrente de alimentação. Atenção especial é dada ao modo que se analisa o fluxo concatenado e a forma de obtenção da força contra eletromotriz uma vez que as formas de onda do fluxo concatenado sofrem variações abruptas a cada 60º elétricos. Além destes parâmetros, analisa-se também cada uma das parcelas do torque eletromagnético, i.e., torque mútuo, torque de relutância e torque de borda, sendo realizado ao final do trabalho, uma comparação entre a soma da estimativa de cada parâmetro com o valor do torque eletromagnético obtido por meio de uma simulação não linear. / This work deals with the assessment of a surface mounted magnet synchronous machine\'s parameters (whose back-EMF is approximately trapezoidal) and that is fed by an ideal square current waveform. In order to investigate and describe each machine\'s parameter, a review on Frozen Permeability Method is presented. Some simulation by means of finite element method with the aid of Frozen Permeability Method are carried out taking into account that the machine is fed by an ideal square current waveform. The results for flux-linkage wave-form and back-EMF waveform are shown and analyzed. A special attention is given to back-EMF calculation since the linkage flux of each phase has an abrupt change every sixty electrical degrees due to the phase commutation. In addition, an attention is given to each torque component on load condition, i.e., mutual torque, reluctance torque, cogging torque and a comparison between the electromagnetic torque and the summation of these components.

Atualmente o potencial vetor é geralmente tratado no eletromagnetismo clássico como um artifício para o cálculo dos campos elétricos e magnéticos sem um significado claro. No entanto, quando foi proposto na metade do século XIX, ele possuía um significado físico claro e desempenhava um papel central para Faraday, Maxwell e outros físicos britânicos. Um dos objetivos deste trabalho é entender como se deu esta mudança na interpretação do conceito de potencial vetor. Para isto foi realizado um estudo histórico analisando as diferentes interpretações para este conceito partindo dos trabalhos de Faraday sobre indução eletromagnética, onde propôs o conceito de estado eletrotônico. Analisamos as contribuições de William Thomson que fortemente inspiraram Maxwell a sugerir diferentes interpretações para o conceito em trabalhos publicados ao longo de cerca de duas décadas até a publicação do Treatise on Electricity and Magnestism em 1873. No final do século XIX a interpretação dada por Maxwell ao conceito de potencial vetor começou a ser questionada por vários físicos. Uma das questões envolvidas neste processo foi a realidade das grandezas físicas. Nomes como Heaviside, Hertz e outros defendiam que as grandezas dotadas de realidade física na teoria eletromagnética eram os campos elétrico e magnético e não o potencial vetor. Com essa nova visão desenvolveram uma nova teoria eletromagnética próxima da que conhecemos atualmente. No entanto, este processo não foi linear e aceito acriticamente. Ao longo do século XX foram publicados trabalhos propondo uma interpretação física para o potencial vetor, ainda no contexto clássico. O estudo histórico aqui desenvolvido priorizou a abordagem desenvolvida na Grã-Bretanha / Currently the vector potential generally is considered in the classical electromagnetic theory as an artifice for the calculation of the electric and magnetic fields and without a clear physical meaning. However, when it was proposed in the mid-nineteenth century, it used to have a clear physical meaning and played a central role for Faraday, Maxwell and other British physicists. One of the goals of this dissertation is to understand how the meanings attributed to the vector potential changed along years. In order to answer to this question, we developed a historical study analyzing the different interpretations for this concept starting with the works of Faraday on electromagnetic induction, where he introduced the concept of electrotonic state. We analyzed the contributions of William Thomson that inspired strongly Maxwell to suggest different interpretations for the concept in works published along the next two decades until the publication of the Treatise on Electricity and Magnestism in 1873. In the end of the nineteenth century Maxwells interpretations for the vector potential began to be questioned by several physicists. One of the issues involved in this questioning was the reality of the physical quantities. People as Heaviside, Hertz and others defended that electric and magnetic fields, not the vector potential, were quantities endowed with physical reality. With this new approach they developed a new electromagnetic theory closer to the currently accepted. Nevertheless, this process was not linear and uncritically accepted. Throughout the twentieth century papers and books were published defending a physical interpretation for the vector potential considering a classical context for the electromagnetic theory. The historical study developed here focused the developments in Great-Britain although some mentions to Continental physics are made

Cette thèse propose l’étude d’une méthode numérique permettant de simuler un plasma. On considère un ensemble de particules, dont le mouvement est régi par l’équation de Vlasov, et qui est sensible aux forces électromagnétiques, qui proviennent des équations de Maxwell. La résolution numérique des équations de Vlasov-Maxwell est réalisée par une méthode Particle In Cell (PIC). La résolution des équations de Maxwell nécessite un maillage suffisamment fin afin de modéliser correctement les problémes multi-échelles que nous souhaitons traiter. Cependant, mailler finement tout le domaine de calcul a un coût. La nouveauté de cette thèse est de proposer un solveur PIC sur des maillages cartésiens localement raffinés, des maillages non conformes, afin de garantir la bonne modélisation du phénomène physique et d’éviter une trop forte pénalisation des temps de calcul.Nous utilisons une méthode Galerkin Discontinue en domaine temporelle (GDDT), qui offre l’avantage d’être d'une grande flexibilité dans le choix du maillage et qui est une méthode d’ordre élevé. Un point fondamental dans l’étude des solveurs PIC concerne le respect de la conservation de la charge. Nous proposons deux approches afin de traiter cet aspect. La première concerne les méthodes utilisant un système de Maxwell augmenté, dont la nouveauté a été de les étendre aux maillages non conformes. La seconde approche repose sur une méthode originale de pré-traitement du calcul du terme source de courant. / This thesis deals with the study of a numerical method to simulate a plasma. We consider a set of particles whose displacement is governed by the Vlasov equation and which creates an electromagnetic field thanks to Maxwell equations. The numerical resolution of the Vlasov-Maxwell system is performed by a Particle In Cell (PIC) method. The resolution of Maxwell equations needs a sufficiently fine mesh to correctly simulate the multi scaled problems that we have to face. Yet, a uniform fine mesh of the whole domain has a prohibitive cost. The novelty of this thesis is a PIC solver on locally refined Cartesian meshes : non conforming meshes, to guarantee the good modeling of the physical phenomena and to avoid too large CPU time. We use the Discontinuous Galerkin in Time Domain (DGTD) method which has the advantage of a great flexibility in the choice of the mesh and which is a high order method. A fundamental point in the study of PIC solvers is the respect of the charge conserving law. We propose two approaches to tackle this point. The first one deals with augmented Maxwell systems, that we have adapted to non conforming meshes. The second one deals with an original method of preprocessing of the calculation of the current source term.

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.

Submitted by Rosivalda Pereira (mrs.pereira@ufma.br) on 2017-06-07T18:20:05Z No. of bitstreams: 1 PauloPinheiro.pdf: 740954 bytes, checksum: 7a586404eb9969daad1f2c29dbbf0b42 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-07T18:20:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 PauloPinheiro.pdf: 740954 bytes, checksum: 7a586404eb9969daad1f2c29dbbf0b42 (MD5) Previous issue date: 2009-07-06 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fundação de Amparo à Pesquisa e ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Maranhão (FAPEMA) / The possibility of spontaneous breaking of Lorentz symmetry in the context of string theory appeared in 1990´s as an element capable to direct new ways for developing physics at Planck scale. Possible breaking of Lorentz invariance is seen as a characteristic of the physics beyond the usual Model Standard, that forbids such breaking in its structure. The observation of Lorentz breaking (LV) at lower energies can be seen as an evidence of occurrence of Lorentz spontaneous breaking at Planck scale, with important consequence for the development of the quantum gravitation theory. This work aims at studying the LV effects in a regime of low energies, more necessarily in the context of the Maxwell electrodynamics, in the presence of the CPT-even term (W∝υρφF∝υFρφ) of the standard model extension. In the first part of the work, we deal with the electrodynamics stemming from the parity-odd sector of the tensor W∝υρφ, where the electric and magnetic sectors are connected by the breaking parameter (violating vector k). The method of Green is then used to yield the classic solutions for this electrodynamics. It is observed that Lorentz-violating coefficients contribute in first order for the electric and magnetic sectors. An experiment of feasible accomplishment in laboratory is considered for stipulating an upper bound for the background magnitude (k < 10−16). In the sequel we deal with the electrodynamics stemming from the parity-even sector of the tensor W∝υρφ. The solutions for the electric and magnetic sector are attained similarly by the Green method. With such solutions, we are able to impose an upper bound on the parameters: (eκe−)ib < 2.9 × 10−20. Finally, we evaluate the gauge propagator of this theory, both for the parity-even and the parity-odd sectors. We then use it to analyze the stability, causality and unitary of this model. Keywords: Maxwell electrodynamics, Lorentz symmetry, Classical solutions, / A possibilidade de violação espontanea da simetria de Lorentz no contexto da teoria das cordas surgiu nos anos 90 como um elemento capaz de direcionar novos caminhos para a fısica na escala de Planck. Possíveis violações da invariância de Lorentz são vistas como uma caracterıstica da fısica além do Modelo Padrão usual, que proíbe tal violação em sua estrutura. A observação da violação de Lorentz (VL) em mais baixas energias pode ser vista como uma evidência da ocorrência do mecanismo de quebra espontanea na escala de Planck, com importantes consequências para o desenvolvimento da teoria da gravitação quantica. Este trabalho propõe-se a estudar efeitos da VL em um regime de baixas energias, mais precisamente no contexto da eletrodinâmica de Maxwell modificada pelo termo CPT-par (W∝υρφF∝υFρφ) do Modelo Padrão Estendido. Na primeira parte do trabalho, tratamos a eletrodinamica resultante do setor de paridade ímpar do tensor W∝υρφ, em que os setores elétrico e magnético são acoplados pelo parâmetro de quebra (vetor violador k). Usa-se então o método de Green para obter as soluções clássicas desta eletrodinâmica. Observa-se que os coeficientes violadores de Lorentz contribuem em primeira ordem para os setores elétrico e magnético. Propõe-se um experimento de factível realização em laboratório, para estipular um limite superior para a magnitude do ”background”(k < 10−16). Tratamos em seguida a eletrodinâmica advinda do setor de paridade par. As soluções para o setor elétrico e magnético são obtidas similarmente pelo método de Green. Com tais soluções, conseguimos impor um limite superior sobre os parâmetros: (eκe−)ib < 2.9 × 10−20. Por fim, calculamos o propagador desta teoria, tanto para o setor paridade-par quanto para o setor paridade ímpar, e usamo-lo para obter informações sobre a causalidade, estabilidade e unitariedade do modelo.

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.

During the last years, with the evolution of technology enabling the control of nano-mesoscopic systems, the possibility of experimentally implementing a Maxwell&rsquo;s demon has aroused much interest. Its classical version has already been implemented, in photonic and electronic systems, and currently its quantum version is being broadly studied. In this context, the purpose of this work is the development of a protocol for the implementation of the quantum version of an autonomous Maxwell&rsquo;s demon in a system of superconducting qubits. The system is composed of an Asymmetrical Single-Cooper-Pair Transistor, ASCPT, which has its extremities in contact with heat baths, such that the left one has a lower temperature than the right one. And of a device of two interacting Cooper-Pair Boxes, CPB&rsquo;s, named as an ECPB, for Extended Cooper-Pair Box. The ECPB is also in contact with a heat bath and possess a genuine quantum feature, entanglement, being described by its antisymmetric and symmetric states, that couple capacitively to the ASCPT with different strengths. A specific operating regime was found where the spontaneous dynamics of the tunneling of Cooper pairs through the ASCPT, will led to a heat transport from the bath in contact with the left extremity of the ASCPT to the bath at the right. And so, as in Maxwell&rsquo;s original thought experiment, the demon, which is composed by the ECPB and the island of the ASCPT, mediates a heat flux from a cold to a hot bath, without the expense of work. However as expected, the violation of the 2nd law of thermodynamics does not occur, as during the dynamics heat is also released to the bath in contact with the ECPB, compensating the decrease of entropy that occurs in the baths in contact with the ASCPT. / Nos últimos anos, com a evolução da tecnologia que permite o controle de sistemas nano-mesoscópicos, a possibilidade de se implementar um demônio de Maxwell despertou muito interesse. A sua versão clássica já foi realizada experimentalmente com sucesso em sistemas fotônicos e eletrônicos e atualmente a versão quântica tem sido amplamente estudada. Neste contexto, o objetivo deste trabalho é desenvolver um protocolo para a implementação de uma versão quântica de um demônio de Maxwell autônomo utilizando dispositivos supercondutores. O sistema é composto por um Asymmetrical Single-Cooper-Pair Transistor, ASCPT, que possui as suas extremidades em contato com banhos térmicos, sendo que o banho à esquerda possui uma temperatura inferior ao da direita. E por um dispositivo composto por dois Cooper-Pair Boxes, CPB&rsquo;s, interagentes, denominado ECPB, sigla para Extended Cooper-Pair Box. O ECPB também se encontra em contato com um banho e possui uma característica genuinamente quântica, emaranhamento, sendo descrito por seus estados antissimétrico e simétrico, que se acoplam capacitivamente ao ASCPT com intensidades distintas. Encontrou-se que em um regime de operação específico a dinâmica espontânea de tunelamento de pares de Cooper ao longo do ASCPT origina o transporte de calor do banho à esquerda do ASCPT, ao banho à direita. Desta forma, assim como proposto originalmente por Maxwell, o demônio, composto pelo ECPB e pela ilha do ASCPT, media um fluxo de calor de um banho frio para um banho quente, sem a realização alguma de trabalho. Contudo como esperado, a violação da 2&ordf; lei da termodinâmica não ocorre, já que durante a dinâmica calor é liberado ao banho em contato com o dispositivo de CPB&rsquo;s, compensando a diminuição de entropia que ocorre nos banhos em contato com o ASCPT.