Os materiais absorvedores de radiação (RAM) quando atingidos por uma onda eletromagnética têm sua estrutura molecular excitada e parte da energia da radiação incidente é convertida em calor. Exemplos de uso bem sucedido desses materiais podem ser enocntrados na aeronáutica clássica e nas áreas de telecomunicações, de eletrodomésticos e médica. O presente trabalho consiste no processamento e caracterização de revestimentos absorvedores, utilizando-se como matérias-primas um poliuretano contendo quantidades variáveis de ferritas de MnZn, MgZn e NiZn e de negro de fumo. Medidas de refletividade na faixa de 2 - 18 GHz, utilizando-se arco NRL, mostraram que o revestimento mais eficiente na absorção da onda incidente foi obtido com a ferrita de MnZn de maior granulometria. Uma maior eficiência foi, também, observada pelo efeito sinérgico entre as partículas de ferritas de NiZn e MnZn e de negro de fumo, quando utilizadas em conjunto na preparação do revestimento. Pela combinação adequada do negro de fumo com ferritas de NiZn e MnZn foram obtidos revestimentos absorvedores do tipo banda larga, com espessura de 1,0 mais ou menos 0,2 mm, com eficiência na absorção média da radiação de até 75%.

Os materiais absorvedores de radiação podem se apresentar como tintas, mantas de borracha, espumas poliméricas, entre outros tipos, sendo utilizados com sucesso em diferentes áreas, podendo-se citar a aeronáutica, telecomunicações e médica. O uso de polímeros condutores na formulação desses materiais tem sido estudado, devido à combinação de propriedades como condutividade modulada, baixa densidade e facilidade de processamento em relação a outros materiais. Neste trabalho, foram preparadas tintas absorvedoras de radiação eletromagnética (na faixa de 8 a 12 GHz) utilizando-se blendas de poliuretano (PU) contendo polianilina (PAni) dopada, via solução e processamento reativo, com os ácidos dodecilbenzeno sulfônico (DBSA) e cânfor sulfônico (CSA). As formulações de blendas foram caracterizadas quanto aos seus comportamentos reológico e térmico, suas morfologias e as condutividades elétricas. As pinturas obtidas foram caracterizadas quanto à atenuação da radiação incidente, via medidas de refletividade, utilizando-se a técnica do guia de ondas. As formulações que apresentaram os melhores resultados de absorção da radiação foram as que possuíam a PAni dopada com DBSA e CSA via processamento reativo, apresentando características mais condutoras, atuando, assim, como centros absorvedores mais eficientes. Foi verificado, também, que a atenuação da radiação eletromagnética incidente depende da formulação da tinta e do tipo de substrato (alumínio ou compósitos de fibra de carbono/poliamida 6,6) aonde as tintas são aplicadas. As formulações contendo a PAni dopada com CSA em substratos de compósitos favoreceram a atenuação da radiação em até 30 dB, correspondendo a cerca de 99,9% de absorção da radiação eletromagnética incidente, em torno de 12 GHz.

Orientador: Jose Pissolato Filho / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-13T22:10:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Zago_Fernando_D.pdf: 3563533 bytes, checksum: 6e24082f3d66f620688c4145ed029895 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Alguns dos principais danos causados por descargas atmosféricas são de origem indireta, ou seja, originam-se dos campos eletromagnéticos provenientes deste tipo de fenômeno natural resultando em problemas de compatibilidade eletromagnética ou em desafios para os projetistas de sistemas de proteção de surtos e de blindagens contra este tipo de interferência. Este trabalho trata de um destes efeitos indiretos, tensões induzidas em linhas aéreas por descargas atmosféricas próximas, utilizando-se das mais recentes pesquisas na área de campos eletromagnéticos provenientes deste tipo de fenômeno natural. Através de uma rigorosa formulação matemática do canal da descarga atmosférica, assim como, dos campos eletromagnéticos provenientes dele, no caso de conexão direta com o solo ou com um objeto elevado (torre ou prédio aterrados), e da consideração de diferentes expressões para o cálculo do raio de atração dos objetos elevados, foi possível realizar um estudo comparativo dos efeitos da urbanização nas proximidades de uma linha aérea com relação ao aumento ou diminuição dos níveis de tensões e correntes induzidas quando da ocorrência de descargas atmosféricas próximas. Estes efeitos foram analisados através de simulações computacionais considerando variações em diversos parâmetros associados à urbanização, tais como: quantidade de objetos elevados, altura média dos objetos elevados, modelo de raio de atração e densidade de ocupação ou de urbanização. A partir da pesquisa realizada durante este trabalho e do programa computacional desenvolvido, são propostas metodologias para se avaliar as modificações nos padrões de ocorrência dos níveis de tensões induzidas de origem atmosférica em linhas aéreas localizadas em diferentes cenários de ocupação urbana ou nas proximidades de objetos elevados como, por exemplo, torres de telecomunicações. / Abstract: Some of the worst damage caused by lightning is indirect, that is, it is caused by electromagnetic fields radiated from this kind of natural phenomenon resulting in electromagnetic compatibility problems or in challenges for designers of surge protection systems and shields against these interferences. This work considers one of these indirect effects, induced voltages on overhead lines by nearby atmospheric lightning discharges, using some of the most recent research in the area of electromagnetic fields generated by these natural phenomena. Starting from a rigorous mathematical formulation for a lightning channel, as well as for the electromagnetic fields generated by them, for the case of lightning striking the soil directly or an elevated grounded object, it was possible to carry out a comparative study of the urbanization effects close to an overhead line with respect to the increase or decrease of the induced voltages and currents when nearby lightning discharges occur. These effects were analyzed using computational simulations considering variations in some parameters associated with urbanization, such as: number of elevated objects, elevated objects average height, different models for the calculation of attractive radius and occupation or urbanization density. Taking into account the research and the computational program developed in this work, methodologies to evaluate the modifications on the occurrence patterns of lightning induced voltages on overhead lines localized at different urban occupation landscapes or at the vicinity of elevated objects like telecommunication towers, were proposed. / Doutorado / Energia Eletrica / Doutor em Engenharia Elétrica

Ao longo das últimas décadas, vários países têm desenvolvido a tecnologia de fabricação de estruturas com reduzida detecção por radar para emprego aeroespacial. O emprego de materiais adequados e de geometria apropriada permite que uma aeronave tenha a sua Seção Reta Radar (RCS) reduzida, devido ao decréscimo da refletividade das ondas eletromagnéticas incidentes no alvo. Dentro desse contexto, esta Dissertação de Mestrado teve como objetivo estudar absorvedores multicamadas pelo uso de absorvedores de microondas à base do polímero condutor polianilina e parafina com negro de fumo, caracterizando-os via medidas de refletividade pelo uso das técnicas do arco NRL (Naval Research Laboratory) e de guia de ondas. A permissividade elétrica complexa desses absorvedores, uma propriedade eletromagnética intrínseca, foi medida utilizando-se uma técnica de guia de onda. Um modelo teórico de absorvedores de múltiplas camadas foi desenvolvido a partir do método de linha de transmissão, juntamente com o desenvolvimento de um algoritmo. Esse procedimento permitiu a implementação de um software para obter a refletividade em função da freqüência para materiais com parâmetros eletromagnéticos pré-selecionados. Como resultado do estudo realizado, foi observada uma correlação entre a permissividade elétrica complexa dos materiais absorvedores de radiação com o desempenho da refletividade dos mesmos. Foi verificado, também, que o software proposto em apoio à obtenção de estruturas multicamadas mostrou boa concordância com medidas experimentais de refletividade, fornecendo parâmetros de orientação para a obtenção de materiais absorvedores multicamadas otimizados.

Visualizações imersivas são muito valiosas para melhorar a compreensão de uma variedade de fenômenos físicos, que podem ser eventualmente modelados na forma discreta e simulados por computador. Dentre possíveis aplicações podemos utilizar a visualização imersiva como ferramenta pedagógica para percepção aumentada de tópicos complexos, ou como uma poderosa ferramenta de apoio analítico para ajudar os engenheiros a interpretarem os resultados de projetos. Este projeto de pesquisa aborda o uso da visualização imersiva de campos eletromagnéticos, especificamente os campos gerados por redes sem fio, largamente utilizadas no cotidiano como é o caso das redes IEEE 802.11 (Wi-Fi). Para tanto este trabalho propõe métodos novos para visualizar, em tres dimensões, campos eletromagnéticos variantes no tempo e distribuições de parâmetros interessantes relacionados a redes sem fio. Para atingir este objetivo, uma versão aprimorada do método de diferenças finitas no domínio do tempo (FDTD) é desenvolvido: o método FDTD de alta ordem e malha grosseira (Coarse Grid Higher Order FDTD, CGHO-FDTD). Portanto, soluções numéricas muito precisas, mais rápidas, e computacionalmente mais eficientes das equações de Maxwell podem ser obtidas. Os cálculos numéricos podem ser ainda mais rápidos pelo uso de computação paralela em um aglomerado de computadores. As características de domínio de tempo facilitam a criação de instantâneos de campos eletromagnéticos que estão se propagando, e desta maneira é possível criar figuras e animações tridimensionais que podem ser usadas para explicar alguns dos seguintes fenômenos físicos comuns em redes sem fio: difração, reflexão, e atenuação. Para que aumente a percepção física ainda mais, visualizações imersivas são feitas em um ambiente de realidade virtual. Por fim, a ferramenta desenvolvida também pode ser usada para criar distribuições muito detalhadas de parâmetros importantes que afetam o desempenho em uma rede sem fio. É mostrado que simulações de um ambiente fechado para prever a distribuição de potência de uma rede sem fio do tipo IEEE 802.11 (Wi-Fi), estão de acordo com as medidas. / Immersive visualizations are very valuable in order to improve the understanding of a variety of physical phenomena that can be modeled numerically and simulated by computers. Amongst the possible applications, we could utilize immersive visualizations as a pedagogical tool for enhanced perception of complex topics, or as a powerful tool that helps engineers interpret the outcome of simulations. This research project approaches the use of immersive visualizations of electromagnetic fields, especially fields generated by wireless networks widely utilized in the everyday life, as is the case for networks of the type IEEE 802.11 (Wi-Fi). For such a purpose this work proposes new methods to three-dimensionally visualize time-varying electromagnetic fields, and distributions of interesting parameters related to wireless networks. To achieve these objectives, a better version of the finite-difference time-domain (FDTD) method is developed: the Coarse Grid Higher Order FDTD (CGHO-FDTD) method. Thus highly accurate, faster and more computationally efficient numerical solutions of Maxwells equations can be obtained. The numerical calculations are made even faster by the use of parallel computing on a cluster of computers. The characteristics of the time domain facilitate the creation of snapshots of the propagating electromagnetic fields, and in this manner it is possible to create three-dimensional figures and animations that can be used to explain some of the following common physical effects found in wireless networks: diffraction, reflection, and attenuation. To further enhance the perception of the physics, immersive visualizations are carried out in a virtual reality environment. Finally, the developed tool can also be used to create highly detailed distributions of important parameters that affect the performance in wireless networks. It is shown that simulations to predict the power distribution in an indoor wireless network of the type IEEE 802.11 (Wi-Fi), agree very well with measurements.

Quando uma partícula carregada em movimento uniforme cruza a superfície entre dois meios de propriedades eletromagnéticas diferentes, ela emite a chamada Radiação de Transição (RT). Esta radiação tem espectro amplo, com emissão inclusive no intervalo de radiação visível. Esse processo de produção de radiação tem sido muito empregado em sistemas de monitoramento de feixes em aceleradores de partículas, por ser um processo que responde linearmente à carga que cruza a superfície e por permitir o monitoramento de diversos parâmetros do feixe em um único ponto de observação. Neste trabalho é apresentado o desenvolvimento de um sistema de monitoramento baseado em RT no intervalo óptico para operar em baixas energias de feixe de elétrons (próximas de 2 MeV) e realizar o diagnóstico de parâmetros importantes do feixe na entrada do primeiro estágio de aceleração do Mícrotron do IFUSP. / Transition Radiation (TR) is emitted when a charged particle moving with constant velocity, crosses the boundary between two media with different electromagnetic properties. This radiation is emitted in an wide spectral range, including the optical interval. This physical process has been used in beam diagnostic devices in particle accelerators due to its linear response to the charge that crosses the boundary and also because it allows the measurement of several beam parameters in a single observation point. In this work, we present the design of a device based on TR in the optical range to operate with low energy beams (about 2 MeV). The device enables the determination of the transverse phase space and of the fractional momentum deviation of the beam at the end of the linac, allowing the determination of important beam parameters at the entrance to the Microtron Booster.

A magnetohidrodinâmica, ou simplesmente MHD, é um campo da ciência que estuda os movimentos de fluidos condutores submetidos a forças eletromagnéticas e une conceitos da fluidodinâmica e eletromagnetismo. Nos últimos anos, a MHD vem sendo aplicada em diversas áreas tecnológicas, desde a propulsão eletromagnética até dispositivos biológicos. Neste trabalho, são mostradas a construção e a operação de um dispositivo MHD, um canal retangular preenchido com um fluido eletrolítico conhecido como macrobomba, isento de partes mecânicas móveis. Os imãs geram um campo magnético externo e os eletrodos criam um campo elétrico, perpendicular ao escoamento, que move o fluido. O modelo MHD é calculado a partir das equações de Navier Stokes acopladas às equações de Maxwell para um fluido incompressível newtoniano. As forças eletromagnéticas que surgem resultam do produto vetorial da densidade de corrente e da densidade de fluxo magnético - essa é a força de Lorentz. Os resultados são apresentados em simulações 3D numéricas, assim como em dados experimentais. O objetivo é relacionar o campo magnético com o elétrico e com a quantidade de movimento produzida, e calcular a densidade de corrente e o perfil de pressão e de velocidade. Um perfil U e M de pressões e velocidades é esperado no experimento. Dados experimentais e computacionais são comparados para validação e posterior uso para futuros trabalhos. / Magnetohydrodynamics or simply (MHD) is a field of science that studies the movement of conductive fluids subjected to electromagnetic forces. Such a phenomenon brings together concepts of fluid dynamics and electromagnetism. Over the years, MHD has been encountered in a wide area of technological applications electromagnetic propulsion to biological devices. The present work didactically shows the construction (materials and equipment) and operation of an MHD device; a rectangular closed circuit filled with an electrolyte fluid, known as macro pumps, where a permanent magnet generates a magnetic field and electrodes generate the electric field, perpendicular to the flow, moving the fluid. The MHD model has been derived from the Navier-Stokes equation and coupled with the Maxwell equations for Newtonian incompressible fluid. Electric and magnetic components engaged in the test chamber assist in creating the propulsion of the electrolyte fluid. The electromagnetic forces that arise are due to the cross product between the vector density of current and the vector density of magnetic field applied. This is the Lorentz force. Results are present of 3D numerical MHD simulation for Newtonian fluid as well as experimental data. The goal is to relate the magnetic field with the electric field and the amounts of movement produced, and calculate de current density and fluid´s pressure and velocity. An u-shaped and m-shaped velocity and pressure profiles are expected in the experiment. Computational and experimental data are compared for validation and future analysis.

Este trabalho propõe uma configuração de câmaras excitadas por linhas de transmissão, considerada como potencial solução para as restrições das câmaras reverberantes atuais. Dentre estas restrições menciona-se, por exemplo, as relativas à operação das câmaras em baixas frequências, cujas dimensões poderão representar uma restrição física à sua implementação em ambientes de teste. Outras características físicas podem ser consideradas também restritivas, ao se considerar o volume útil de trabalho e o modo de excitação das câmaras canônicas. Visando satisfazer os índices de mérito aplicáveis, as diversas configurações propostas são avaliadas, onde, além dos arranjos das linhas de transmissão, também são considerados os detalhes relativos às variações da excitação e da carga via controle eletrônico. A metodologia de análise de desempenho da câmara proposta utiliza, basicamente, métodos analíticos, numéricos e avaliações experimentais. A aplicação de algoritmos e métodos de otimização recomendados pela literatura atual e alguns procedimentos desenvolvidos e adaptados pelos autores, foram utilizados na busca de configurações que melhor satisfaçam os índices de mérito adotados. Diversos resultados, obtidos através de simulações numéricas e de avaliações experimentais realizadas em um protótipo são apresentados e comparados, visando uma análise das potencialidades e da aplicabilidade deste tipo de câmara às necessidades dos ensaios de compatibilidade eletromagnética de equipamentos e sistemas elétricos e eletrônicos. / This Thesis presents the proposition of a Transmission Line Excited Chamber configuration. This configuration is considered to be a potential solution for the constraints of reverberation chambers of nowadays. Among this constraints, e.g. the ones related to chamber operation at some MHz, is a physical restriction to implement in tests environments. Moreover the work volume and the canonical chamber excitation ways are also considered restrictions. In order to satisfy the chamber evaluation indexes of merit applicability, several transmission line sets are evaluated, including the details concerned to electronic exciting variation and load variation. The chamber performance analysis methodology is proposed in this work is based on analytical and numerical methods, and also experimental evaluations. Not only optimization algorithms and methods recommended by literature were used in order to reach the adopted indexes of merit but also procedures developed and adapted by the authors. To analyze the chamber capacity to reach all the electromagnetic compatibility test requirements applied to equipments and electric and electronic systems, several tests, were performed over one Transmission Line Excited Chamber prototype. The results obtained by numerical simulations and experimental evaluations are presented and compared.

A magnetohidrodinâmica, ou simplesmente MHD, é um campo da ciência que estuda os movimentos de fluidos condutores submetidos a forças eletromagnéticas e une conceitos da fluidodinâmica e eletromagnetismo. Nos últimos anos, a MHD vem sendo aplicada em diversas áreas tecnológicas, desde a propulsão eletromagnética até dispositivos biológicos. Neste trabalho, são mostradas a construção e a operação de um dispositivo MHD, um canal retangular preenchido com um fluido eletrolítico conhecido como macrobomba, isento de partes mecânicas móveis. Os imãs geram um campo magnético externo e os eletrodos criam um campo elétrico, perpendicular ao escoamento, que move o fluido. O modelo MHD é calculado a partir das equações de Navier Stokes acopladas às equações de Maxwell para um fluido incompressível newtoniano. As forças eletromagnéticas que surgem resultam do produto vetorial da densidade de corrente e da densidade de fluxo magnético - essa é a força de Lorentz. Os resultados são apresentados em simulações 3D numéricas, assim como em dados experimentais. O objetivo é relacionar o campo magnético com o elétrico e com a quantidade de movimento produzida, e calcular a densidade de corrente e o perfil de pressão e de velocidade. Um perfil U e M de pressões e velocidades é esperado no experimento. Dados experimentais e computacionais são comparados para validação e posterior uso para futuros trabalhos. / Magnetohydrodynamics or simply (MHD) is a field of science that studies the movement of conductive fluids subjected to electromagnetic forces. Such a phenomenon brings together concepts of fluid dynamics and electromagnetism. Over the years, MHD has been encountered in a wide area of technological applications electromagnetic propulsion to biological devices. The present work didactically shows the construction (materials and equipment) and operation of an MHD device; a rectangular closed circuit filled with an electrolyte fluid, known as macro pumps, where a permanent magnet generates a magnetic field and electrodes generate the electric field, perpendicular to the flow, moving the fluid. The MHD model has been derived from the Navier-Stokes equation and coupled with the Maxwell equations for Newtonian incompressible fluid. Electric and magnetic components engaged in the test chamber assist in creating the propulsion of the electrolyte fluid. The electromagnetic forces that arise are due to the cross product between the vector density of current and the vector density of magnetic field applied. This is the Lorentz force. Results are present of 3D numerical MHD simulation for Newtonian fluid as well as experimental data. The goal is to relate the magnetic field with the electric field and the amounts of movement produced, and calculate de current density and fluid´s pressure and velocity. An u-shaped and m-shaped velocity and pressure profiles are expected in the experiment. Computational and experimental data are compared for validation and future analysis.

Considerando o potencial uso dos polímeros condutores como Materiais Absorvedores de Radiação Eletromagnética (MARE), na faixa de microondas, vários estudos têm sido realizados. Dentre as principais características desses polímeros destacam-se a sua condutividade elétrica, que pode ser modelada, a baixa massa específica e a facilidade de processamento. A proposta deste trabalho envolve o desenvolvimento de MARE flexíveis e com baixa massa específica, visando novas aplicações, onde se faz necessário um transporte mais fácil e a redução de refletividade de alvos com geometrias complexas e de difícil acesso. Neste trabalho, tecidos e nãotecidos de PET, PAN, nylon, vidro e carbono foram impregnados com a polianilina (PAni), utilizando cinco diferentes técnicas de impregnação (denominadas de direta, in situ e baseadas em formulações com resinas de poliuretano (PU) e epóxi, respectivamente, e com o poli(ácido âmico)). Os resultados de refletividade, na faixa de freqüências de 8 a 12 GHz, mostram que os MARE obtidos apresentam bons valores de atenuação da radiação (90 a 99,9% de absorção) e baixa gramatura (<1000 g/m2). Análises morfológicas obtidas por MEV revelam aspectos típicos da profundidade de impregnação e das interfaces PAni-substratos. Dentre as técnicas avaliadas, observa-se que a relativa ao uso do poli(ácido âmico) apresenta os melhores resultados de dispersão da PAni. É também verificado que as técnicas in situ e com formulações de PU também apresentam resultados promissores. Os resultados obtidos também dão subsídios para compreender o comportamento da interação onda-matéria, de forma a permitir sugestões dos possíveis mecanismos dessa interação. Os comportamentos distintos de atenuação da radiação pelos MARE processados mostram que a condutividade elétrica está relacionada com a quantidade de polímero presente nos substratos e, também, que a atenuação da onda depende da estrutura intrínseca, do formato e da espessura do material suporte, além do tipo de configuração, no caso de absorvedores multicamadas.