Este trabalho apresenta um novo formalismo bi-dimensional em diferenças finitas no domínio do tempo (2D-FDTD) para a simulação de estruturas baseadas em metamateriais. A natureza dispersiva destes meios é levada em consideração de forma precisa pela inclusão dos modelos materiais de Drude para os tensores permissividade elétrica e permeabilidade magnética. Todos os elementos dos tensores são considerados neste formalismo, o que o torna muito atraente para a modelagem de uma classe geral de estruturas eletromagnéticas. Dois efeitos de enorme impacto são analisados em detalhes, sendo eles a cobertura de invisibilidade e o rotacionamento de campo. Ambos os efeitos requerem a utilização de técnicas de transformação de coordenadas a qual deve ser aplicada apenas na região onde os campos eletromagnéticos precisam ser manipulados, tirando vantagem da invariância das equações de Maxwell quanto a estas operações. Esta técnica redefine localmente os parâmetros de permissividade e permeabilidade do meio transformado. O formalismo implementado apresentou grande estabilidade e precisão, uma conseqüência direta da natureza dispersiva dos modelos materiais de Drude, o que o caracteriza como uma boa contribuição para uma completa compreensão da fenomenologia por trás destes efeitos fascinantes. Os resultados numéricos apresentaram boa concordância com os disponíveis na literatura. Foi também observado que ambas estruturas são muito sensíveis a variações de freqüência do campo de excitação. / This work introduces an extended two-dimensional finite difference time domain method (2D-FDTD) for the simulation of metamaterial based structures. The dispersive nature of these media is accurately taken into account through the inclusion of the Drude material models for the permittivity and permeability tensors. All tensor elements are properly accounted for, making the formalism quite attractive for the modeling of a general class of electromagnetic structures. Two striking effects are investigated with the proposed model, namely, the invisibility cloaking and the field rotation effects. Both effects require the utilization of a coordinate transformation technique which must be applied only in the region where the electromagnetic field needs to be manipulated, taking advantage of the invariance of Maxwell\'s equations with respect to these operations. This technique locally redefines the permittivity and permeability parameters of the transformed media. The implemented formalism has proved to be quite stable and accurate, a direct consequence of the dispersive nature of the Drude material model, which characterizes it as a good contribution to fully understand the phenomenology behind these fascinating effects. The numerical results are in good agreement with those available in the literature. It was also verified that both structures are very sensitive to frequency variations of the excitation field.

Este trabalho apresenta um novo formalismo bi-dimensional em diferenças finitas no domínio do tempo (2D-FDTD) para a simulação de estruturas baseadas em metamateriais. A natureza dispersiva destes meios é levada em consideração de forma precisa pela inclusão dos modelos materiais de Drude para os tensores permissividade elétrica e permeabilidade magnética. Todos os elementos dos tensores são considerados neste formalismo, o que o torna muito atraente para a modelagem de uma classe geral de estruturas eletromagnéticas. Dois efeitos de enorme impacto são analisados em detalhes, sendo eles a cobertura de invisibilidade e o rotacionamento de campo. Ambos os efeitos requerem a utilização de técnicas de transformação de coordenadas a qual deve ser aplicada apenas na região onde os campos eletromagnéticos precisam ser manipulados, tirando vantagem da invariância das equações de Maxwell quanto a estas operações. Esta técnica redefine localmente os parâmetros de permissividade e permeabilidade do meio transformado. O formalismo implementado apresentou grande estabilidade e precisão, uma conseqüência direta da natureza dispersiva dos modelos materiais de Drude, o que o caracteriza como uma boa contribuição para uma completa compreensão da fenomenologia por trás destes efeitos fascinantes. Os resultados numéricos apresentaram boa concordância com os disponíveis na literatura. Foi também observado que ambas estruturas são muito sensíveis a variações de freqüência do campo de excitação. / This work introduces an extended two-dimensional finite difference time domain method (2D-FDTD) for the simulation of metamaterial based structures. The dispersive nature of these media is accurately taken into account through the inclusion of the Drude material models for the permittivity and permeability tensors. All tensor elements are properly accounted for, making the formalism quite attractive for the modeling of a general class of electromagnetic structures. Two striking effects are investigated with the proposed model, namely, the invisibility cloaking and the field rotation effects. Both effects require the utilization of a coordinate transformation technique which must be applied only in the region where the electromagnetic field needs to be manipulated, taking advantage of the invariance of Maxwell\'s equations with respect to these operations. This technique locally redefines the permittivity and permeability parameters of the transformed media. The implemented formalism has proved to be quite stable and accurate, a direct consequence of the dispersive nature of the Drude material model, which characterizes it as a good contribution to fully understand the phenomenology behind these fascinating effects. The numerical results are in good agreement with those available in the literature. It was also verified that both structures are very sensitive to frequency variations of the excitation field.

Na condução por saltos dispersiva, os portadores de carga são caracterizados por tempos de residência não exponenciais. Como uma conseqüência, efeitos hereditários aparecem e o problema deve ser conduzido no espaçõ de Laplace. Distribuições dielétricas conhecidas e algumas outras foram usadas como possíveis funções capazes de descrever o meio desordenado. Um estudo cuidadoso de seus espectros de freqüência foi realizado. O método de inversão de Widder truncado foi desenvolvido para possibilitar a volta do espaço de Laplace para o do tempo real. Dois tipos de problemas práticos foram abordados: condução dispersiva na qual o campo elétrico das cargas móveis pode ser desprezado e o caso de carga espacial para o qual essa aproximação não pode ser feita. Duas configurações de interesse foram escolhidas: decaimento do potencial de superfície de amostras carregadas por descarga corona e a subida do potencial no carregamento por corrente constante. / Dispersive conductive process are characterized by non-exponential residence times of the hopping carrier. As a consequence, hereditary effects appear and the problem must be conducted in the Laplace space. A bunch of known dielectric distributions functions and others were used as possible functions describing the disordered medium. A careful study of their frequency spectrum was carried out. The truncate Widder inversion was developed in order to allow returning from the Lapace to the real time space. Two kind of practical problems were studied: dispersive conduction in which the electric field of the mobile charge may be neglected and the space charge ones when that approximation cannot be made. Two configurations of interest were selected: the corona discharge potential decay and the constant current potentinal build-up.

Na condução por saltos dispersiva, os portadores de carga são caracterizados por tempos de residência não exponenciais. Como uma conseqüência, efeitos hereditários aparecem e o problema deve ser conduzido no espaçõ de Laplace. Distribuições dielétricas conhecidas e algumas outras foram usadas como possíveis funções capazes de descrever o meio desordenado. Um estudo cuidadoso de seus espectros de freqüência foi realizado. O método de inversão de Widder truncado foi desenvolvido para possibilitar a volta do espaço de Laplace para o do tempo real. Dois tipos de problemas práticos foram abordados: condução dispersiva na qual o campo elétrico das cargas móveis pode ser desprezado e o caso de carga espacial para o qual essa aproximação não pode ser feita. Duas configurações de interesse foram escolhidas: decaimento do potencial de superfície de amostras carregadas por descarga corona e a subida do potencial no carregamento por corrente constante. / Dispersive conductive process are characterized by non-exponential residence times of the hopping carrier. As a consequence, hereditary effects appear and the problem must be conducted in the Laplace space. A bunch of known dielectric distributions functions and others were used as possible functions describing the disordered medium. A careful study of their frequency spectrum was carried out. The truncate Widder inversion was developed in order to allow returning from the Lapace to the real time space. Two kind of practical problems were studied: dispersive conduction in which the electric field of the mobile charge may be neglected and the space charge ones when that approximation cannot be made. Two configurations of interest were selected: the corona discharge potential decay and the constant current potentinal build-up.