Experimentări Privind Realizarea de Materiale Compozite Pentru Utilizarea în Ecranarea Electromagnetică

ProiectEXCELDOC – POSDRU/159/1.5/S/132397

Excelență în cercetare prin burse doctorale și postdoctorale

UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN BUCUREȘTI

Facultatea de Inginerie Electrica

Departamentul Masurari, Aparate electrice si Convertoare statice

Nr. Decizie Senat _________din ____________________

TEZĂ DE DOCTORAT

Experimentări privind realizarea de materiale compozite pentru utilizarea în ecranarea electromagnetică

Experiments concerning the development of composite materials for use in electromagnetic shielding

Autor: Ing.Balan Ionut

COMISIA DE DOCTORAT

București

CUPRINS

MULTUMIRI

Doresc să îmi exprim mulțumirea față de toți cei care m-au sprijinit și ajutat pe toată perioada tezei de doctora si anume Prof. Dr. Ing. Mihai Octavian Popescu conducătorul științific al lucrării, pentru îndrumarea și sprijinul constant de care m-am bucurat de la începutul și până la terminarea tezei.

Baza acestui studiu a fost făcută în cadrul Institutului Național de Cercetare Dezvoltare în Inginerie Electrică ICPE-CA București in cadrul Departamentului de Materiale Avansate. Doresc pe această cale să mulțumesc în mod special domnului director Prof Dr.Ing Wilhelm Kappel pentru întreg sprijinul acordat, precum si indrumatorului din cadrul INCDIE ICPE-CA Dr.Ing. Mihai Badic pentru sfaturile utile. Mulțumesc, de asemenea, colegilor Dr.Ing.Fiz Eros Pătroi, Drd. Ing. Cristian Morari, Dr.Ing Lucaci Mariana, Dr.Ing. Andreea Voina, Dr.Ing.Fiz Delia Patroi, Dr.Ing Radulescu Emilia Florina, Dr. Ing. Alexandru Iorga, Dr. Ing. Eugen Manta. De asemenea, le mulțumesc atat pentru sfaturi cat si pentru critici și ajutor.

În încheiere, mulțumesc familiei și prietenilor pentru sprijinul permanent acordat, care mi-au fost alături la greu și m-au ajutat cu sfaturi utile.

În mod special, doresc să îmi exprim profunda mea recunoștință față de parintii mei pentru răbdarea, sprijinul și încurajarea lor.

Rezultatele prezentate in aceasta lucrare au fost obtinute cu sprijinul Ministerului Fondurilor Europene prin Programul Operational Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013, Contract nr. POSDRU/159/1.5/S/132397.

The work has been funded by the Sectoral Operational Programme Human Resources Development 2007-2013 of the Ministry of European Funds through the Financial Agreement POSDRU/159/1.5/S/132397

INTRODUCERE

Teza de doctorat își are originea în recentele preocupări de cercetare ale Departamentului de Materiale Avansate din cadrul Institutului Național de Cercetare Dezvoltare în Inginerie Electrică ICPE-CA București, în domeniul materialelor compozite precum și in Masurari, Aparate Electrice și Convertoare Statice din cadrul Facultății de Inginerie Electrica al Universității Politehnica București.

Obiectivul propus – acestei teze este de a realiza materiale inteligente sub formă de noi materiale compozite pe bază de microfire, pulberi de diferite concentrații și granulații utilizabile în sisteme de protecție împotriva radiațiilor electromagnetice – ce reprezintă o noutate la nivel național, iar la nivel internațional este prioritară, prin simplul fapt că progresele în acest domeniu sunt relativ recente. Tematica abordata în cazul acestei teze de doctorat privește atât aspectele fenomenologice cât și o procesare adecvată de material.

Planul de cercetare prevede următoarele abordări științifice și tehnice:

Studiul posibilităților tehnologice de obținere și caracterizare a microfirelor FeBSi

Studiul de obținere a ecranelor electromagnetice pe bază de pulberi de Fe, Ni și Carbon

Studiul de obținere a ecranelor electromagnetice pe bază de pulberi de Cu și Carbon

Încorporarea în rășină a acestor pulberi cu proprietăți electromagnetice și transformarea lor în ecrane electromagnetice.

Caracterizarea complexă a ecranelor electromagnetice obtinute ;

Pentru aplicații de compatibilitate electromagnetică și interferență electromagnetică, materialele necesită o anumită magnitudine a pierderilor dielectrice sau magnetice. De exemplu, compozitele cu pierderi dielectrice și magnetice și cu conductivitate mare, care absorb energia de microunde propagată, sunt folosite deseori ca ecrane electromagnetice. Acest proces limitează propagarea câmpurilor electromagnetice dintre două locații, prin separarea lor de o barieră făcută din material magnetic sau conductor. O aplicație des întâlnită a ecranării electromagnetice o reprezintă un cuptor cu microunde, care are un ecran electromagnetic înserat în geamul său.

Supraexpunerea la câmpuri electromagnetice de frecvențe medii generate de monitoare, poate induce în individ dureri cronice, disfuncții ale somnului, iritabilitate, pierdere de energie, proastă dispoziție și chiar o stare generală proastă. [2]

Noile materiale propuse a fi obținute în cadrul acestei teze de doctorat, vor avea rol de protecție împotriva radiațiilor electromagnetice emise de o serie de echipamente și dispozitive electronice, într-o gamă largă de frecvențe, ce acoperă majoritatea surselor de poluare electromagnetică utilizate azi.

CAPITOLUL I

NOȚIUNI INTRODUCTIVE ÎN ELECTROMAGNETISM

NOȚIUNI TEORETICE PRIVIND COMPATIBILITATEA ELECTROMAGNETICA

Din considerente economice, legate de gestionarea spectrului de frecvențe, apare necesitatea adoptării unei soluții de compromis, impusa prin norme. Un nou domeniu interdisciplinar a apărut și anume – compatibilitatea electromagnetică – acesta se ocupă cu problemele de coexistența a aparatelor electrice, electronice, în sensul de a nu produce un nivel de perturbații peste limita maxima admisă căt și de a nu recționa imprevizibil la perturbatiile din mediul electromagnetic ambiental în care lucreaza. [1]-[3]

Studierea sistematica a compatibilitații electromagnetice se regăsește încă de la inceputul anilor 1970; în urma studiilor efectuate, Comisia de Electrotehnica Internationala(CEI) a emis o serie de norme de compatibilitate electromagnetică. Daca în 1980, SUA era mai avansată decât țarile europene în acest domeniu, în prezent CEM funcționeaza deja în tările Comunitații Economice Europene (CE) prin norme; astfel la 01.01.1992 a intrat în vigoare directiva CEM 89/336/CEE, care cerea ca aproape toate aparatele electrice și electronice produse sau folosite, să nu producă interferențe electromagnetice. Pe baza acestei directive, în țarile din CE au fost elaborate o serie de norme europene (EN), care stabilesc condițile de funcționare pentru aparate, nivelul emisiei, nivelul perturbatiilor acceptate, metodele de masurare, testare și evaluarea performantelor CEM.

Deoarece nivelul efortului depus în acest sens este în funcție de efectele și consecințele caderilor, complianșa cu normele CEM nu este garantată în orice condiții, ci ea depinde de o serie de factori.

Probleme de compatibilitate electromagnetica pot aparea atât la dispozitive/componente, aparate, echipamente, cât și la sisteme respectiv la instalații. Din directiva 89/336/CE reiese ca noțiunea de aparat se folosea în sensul că reprezintă toate aplicațiile electrice și electronice, echipamente, sisteme și instalatii, cu alte cuvinte tot ce este alimentat cu energie electrica, indiferent de sursa de alimentare. Semnificația noțiunii de echipament era puțin diferită, în sensul că acesta reprezintă o combinație realizată din dispozitive și componente, cu o funcție intrinseca, pentru realizarea unei utilizări finale și care este menit să fie plasat pe piața ca o singura unitate destinată comercializării. Trebuie reținut ca vechea Directiva CEM era dedicata, în primul rând, echipamentelor electrice și electronice. De asemenea, merită a fi evidențiat faptul ca Directiva CEM se refera numai la produsele noi (prima vânzare) și nu se aplica în cazul existentei altor directive.[4],[5],[7]

Toate echipamentele și dispozitivele de măsurare, care transmit date de masurare sau testare prin unde radio, fac obiectul Directivei 1999/5/CE. Un exemplu de un asemenea echipament de măsurare este generatorul de semnal combinat cu un amplificator de putere și o antena care creează un câmp electromagnetic pentru testarea imunitații unui produs. Trebuie însa observat faptul că Directiva CEM impune anumite restricții referitoare la protecția radiorecepției și a mediului ambiental la perturbațiile electromagnetice, de unde rezultă necesitatea utilizarii unor spații speciale, cum sunt cele ecranate, sau emisii pe frecvențe alocate ca în cazul echipamentelor industriale, stiințifice si medicale.

Problemele CEM au devenit actuale; ele se adresează nu numai specialiștilor dintr-un domeniu restrâns, ci trebuie sa aiba o arie de cuprindere cu mult mai mare (de exemplu, electricienii trebuie învatati despre descărcarile electrostatice, cablarea maselor, efectele reductoare etc.; mecanicii trebuie sa fie sensibilizați la problemele de ecranare, demontare și montarea ecranelor cu toate șuruburile).[8],[9]

Noțiuni teoretice privind ecranarea electromagnetică

Problema ecrănarii electromagnetice constă dintr-un plan cvasiinfint din dielectric conductiv aflat in spatiul liber din zona Fraunhoffer despărtind doua semispatii dintre care intr-unul se afla sursa perturbatoare iar celalalt constituie zona care trebuie protejată/ecranată.

Capabilitatea unui astfel de ecran se exprima prin SEdB (eficacitatea de ecranare), mărime exprimată in dB, definite prin raportul intre intensitatea câmpului în zona ce trebuie protejată în absența ecranului, respectiv in prezența lui. [10]

Undele electromagnetice (radiația electromagnetică) sunt fenomene fizice care constau dintr-un câmp electric și unul magnetic care se generează reciproc pe măsură ce se propagă. Ele au fost prezise teoretic de Maxwell, prin ecuațiile care îi poartă numele și apoi descoperite experimental de Heinrich Hertz. Acesta a construit un oscilator compus din două sfere mari și dispuse la extremitățile a două bare metalice având la celelalte extremități câte o sferă mică constituind eclatorul oscilatorului. S-a observat că la depărtare suficient de mare de oscilator, câmpurile electric și magnetic se condiționează reciproc, alcătuind o undă electromagnetică, influența sarcinilor eclatorului nefiind semnificativă; câmpul electric este produs de câmpul magnetic variabil în timp și câmpul magnetic este produs de câmpul electric variabil în timp, în acord cu ecuațiile lui Maxwell. În acest fel energia este transformată alternativ dintr-o formă în cealaltă, iar procesul se repetă ducând la propagarea acestui cuplu de câmpuri. Pentru a stabili o undă electromagnetică la mare depărtare de oscilator, sunt necesare viteze mari de variație în timp ale câmpurilor electric și magnetic, adică sunt necesare frecvențe mari. [11][12]

Câmpurile electrice și magnetice exercită forțe asupra sarcinilor electrice prezente în țesuturi, aceste forțe au influență asupra diferitelor părți ale materiei vii provocând curenți de inducție și deplasare. Astfel, la aplicarea unor câmpuri electromagnetice se pot verifica: oscilații si difuziune de sarcini libere, inducție de dipoli electrici (polarizare), rotații ale moleculelor polare.

Țesutul uman se poate comporta, la expunerea de radiații electromagnetice, ca și conductor sau ca izolant în funcție de frecvența câmpului incident. Astfel, la frecvențe sub 1 MHz țesutul are bune proprietăți conductive, la frecvențe intermediare cresc proprietățile izolante odată cu creșterea frecvenței, iar la frecvențe de peste 1 GHz au bune proprietăți izolatoare. De aceea, compatibilitatea electromagnetică a diferitelor surse și receptori de unde electromagnetice reprezintă astăzi un domeniu important al cercetării în fizică și în științele tehnice.

Câmpurile electromagnetice, care pătrund mai mult sau mai putin printr-un ecran, influentează sau induc în acestea sarcini electrice sau curenți electrici al căror câmp propriu se suprapune peste cămpul inițial compensându-se intr-o anumită masură. In afară de aceasta este indiferent daca câmpul care trebuie atenuat se gasește în interiorul său în exteriorul invelișului de ecranare (Fig. 1).

Figura 1 Reprezentare campului electromagnetic aflat in interiorul sau exteriorul unei incinte ecranate

Măsura ecranarii il reprezintă si anume factorul de ecranare Q, acesta stabileste legatura dintre intensitatea câmpului în situație în interiorul unui ecran și intensitatea cămpului situat în exterior în absența ecranului, de exemplu pentru un cămp magnetic

(1)

Factorul de ecranare este de regula un numar complex.

1.1.2 Unde electromagnetice

Prin undă se înțelege un fenomen variabil în timp care se propagă din aproape în aproape într-o regiune dată a spațiului. Acest fapt – prin modelare – se poate definii și astfel: în domeniul Ω se propagă o undă a mărimii de stare u dacă o perturbare a lui u, existent în punctul P în momentul t se regăsește în momentul t+Δt în diverse puncte P’ din vecinătatea lui P. În legătură directă cu această definiție se introduce noțiunile: front de undă și viteza frontului.

Viteza de propagare a undei se definește ca fiind limita dintre distanțape care o parcurge un punct P’ al frontului de undă (față de punctul P din punctul de perturbație) în intervalul de timp Δt și acest interval de timp, atunci când Δt tinde către zero, adică:

(1.1)

Aceasta corespunde faptului esențial că în concepția actuală a Fizicii nu există decât efecte care se propaga prin „acțiuni din aproape în aproape” și cu viteză finită. De fapt, această concepție, numita si teoria contiguitatii (introdusa in anul 1843 de M. Faraday), stă la baza teoriei macroscopice clasice a fenomenelor electromagnetice ale lui Maxwell. [13][14]

Teoria contiguității consideră că purtătorul acțiunilor electrice și magnetice dintre corpurile electrizate și magnetizate și reprezintă câmpul electromagnetic care le transmite din aproape în aproape în spațiu și timp cu o anumită viteză finită (dar foarte mare), astfel că ele au nevoie de un anumit timp spre a se propaga. Acțiunile prin contiguitate depind numai de evoluția pe care stările fizice au avut-o într-un timp oricât de scurt la o distanță oricât de mică din jurul porțiunii de corp asupra căreia se exercită, de aici rezultând imediat noțiunea de unde electromagnetice, în forma din definiția dată la început.

Spectrul radiațiilor electromagnetice

Există diferite criterii de clasificare a undelor. Astfel, după natura fizică a mărimii de stare se disting undele: elastice, pentru care u este o deplasare sau o tensiune mecanică, ori o presiune (din această categorie fac parte, de exemplu, undele seismice, undele hidraulice, undele sonore), grafice, magnetohidrodinamice, electromagnetice (la care mărimile de stare sunt, în principal, intensitatea câmpului electric și intensitatea câmpului magnetic ) [13][14]

Undele electromagnetice pot fi grupate dupa fenomenul care sta la baza producerii lor. Astfel, radiatiile numite hertziene se datoresc oscilației electronilor în circuitele oscilante LC sau în circuitele electronice speciale. Frecventa undelor obținute astfel este egala cu frecvența cu care se oscilează electronii. Cu cât este mai mare frecvența, cu atat mai multă energie este transportata în același interval de timp.

Analog cu ceea ce se petrece în cadrul undelor elastice, poate fi definita o mărime numită lungime de undă a undelor electromagnetice și care este egală cu distanța cu care se propagă cămpul electromagnetic în timpul unei perioade de oscilație a dipolului. Lungimile de undă ale undelor electromagnetice variază într-un interval foarte larg. Astfel, în telecomunicatii se folosesc unde electromagnetice ale căror lungimi de undă ajung la câțiva kilometri, în timp ce lungimile de undă ale radiațiilor gamma emise de anumite elemente radioactive au valori de ordinul zecilor de metri.

Câmpul electromagnetic reprezintă un câmp rotațional ce se propagă sub formă de unde electromagnetice cu o viteză care depinde de pemitivitatea respectiv permeabilitatea mediului considerat.

Undele electromagnetice se propagă în aer cu viteza luminii (300 000 km/s), aproximativ egală cu viteza lor de propagare în vid. J. C. Maxwell [15] afirmă că lumina și radiațiile asemănătoare (radiațiile infraroșii, ultraviolete, etc.) sunt tot de natura electromagnetică, diferind între ele prin lungimile de undă.

Informația se transmite la distanță prin radio, televiziune, telefonie mobilă. Purtătorii informației sunt undele electromagnetice de frecvența ridicată, modulate pe unde de joasă frecvență care conțin informatia.

Figura 1.1 Spectrul radiatiilor electromagnetice

Undele hertziene și anume: unde lungi, medii, scurte, ultrascurte, microunde sunt emise de oscilatiile electronilor din antenele emițătoare folosite în sistemele de radiocomunicatii și microunde (televiziune, telefonie, cuptoare etc.).

O altă aplicație a undelor hertziene este radarul care se folosește de exemplu la determinarea vitezei autovehiculelor și se bazează pe faptul că frecvența oscilațiilor recepționate de observator este mai mare dacă sursa se apropie de el și mai mică dacă sursa se depărtează (radar). Sursa care emite trenuri de unde electromagnetice este plasată în mașina poliției, staționată la marginea șoselei. Unda reflectată de autovehiculul care se apropie este receptionată ca o undă emisă de o sursă mobilă, cu frecvența crescută. Unda recepționată este compusă cu o undă cu frecvența constantă pentru apariția fenomenului de bătai care permite determinarea vitezei autovehiculului ce va trece prin dreptul radarului.

Radarul poate fi folosit și pentru localizarea unor obiecte (radiolocația). Radiolocația presupune determinarea existenței și poziției unui obiect pe baza caracteristicilor undelor electromagnetice. Principiul de funcționare al radiolocației este prezentat în figura de mai jos:

Fig 1.2. Instalatie de radiolocatie E – emitator [26]

O instalatie de radilolocație este compusă, dintr-un emițător, un receptor și un sistem de antene. Pentru a se putea stabili coordonatele unghiulare ale pozitiei obiectului, undele radio trebuie emise sub forma unor fascicule mai înguste. Pentru aceasta, antena radiolocatorului se așează în focarul unei oglinzi metalice concave, care reflectă undele într-o singură direcție. Funcționând prin impulsuri, emițătorul emite trenuri de unde. În intervalul de timp dintre două trenuri de undă, antena recepționează undele reflectate. Semnalul recepționat se măsoară cu ajutorul unui oscilograf.

Fig 1.3 Ecranul unui oscilograf electronic ce indică existența și poziția obiectelor

Radiolocația este folosită în navigare. Avioanele și vapoarele sunt dotate cu radiolocatoare, ca și aeroporturile care sunt prevăzute cu acest echipament pentru a dirija traficul aerian, aterizarile și decolarile avioanelor de asemenea. Radiolocația poate fi activă sau pasivă.

Un alt tip de radiație electromagnetică este radiația termică care se obține prin transformarea energiei interne a unui corp în energie electromagnetică.

Radiațiile sincrotron au fost puse în evidență cu ajutorul unei instalații de accelerare a electronilor în câmp magnetic, numit sincrotron. Acestor grupe de radiații le corespund anumite domenii de frecvențe. Cea mai uzuală împărțire a radiațiilor electromagnetice se face însă după frecvență și lungimea de undă.[26]

Această clasificare cuprinde următoarele grupe:

Undele radio – domeniul de frecvență a acestor unde este se situează între zeci de hertzi până la un gigahertz (1GHz = 109Hz), adică au lungimea de undă cuprinsă între câțiva km până la 30 cm. Ele se folosesc în special pentru transmiterea semnalelor de televiziune, pentru comunicatii prin satelit cât și pentru telefonie mobilă Dupa lungimea de undă se subimpart în unde lungi (2Km-600m), unde medii (600-100 m), unde scurte (100-10 m) si unde ultrascurte (10 cm).

Microundele sunt utilizate atat in comunicatii cat si la cuptorul de microunde, acesta bazandu-se pe absorbtia puternica a radiatiilor in apa cat si in materiile vegetale si animale. Lungimea de unda este cuprinsă între 30cm și 1mm, frecvența variand între 109 – 3·1011 Hz.. Se subîmpart în unde decimetrice, centimetrice și milimetrice. Se mai folosesc și in domeniul casnic.

Radiația infrarosie sunt unde electromagnetice emise de corpurile solide, acestea reprezentand una din cele trei categorii in care se afla radiatiile solare impartie. Radiatia infrarosie cuprinde domeniul de lungimi de unda situat intre 10-3 si 7,8·10-7m (3·1011–4·1014Hz). In general sunt produse de corpurile incălzite. În ultimul timp s-au realizat instalații electronice care emit unde infrarosii cu lungime de unda submilimetrica.

Radiația vizibilă reprezintă radiația cu lungimea de unda cuprinsă între aproximativ 7,6·10-7m si 4·10-7m.

Radiația ultravioletă este emisa de Soare, corpuri inalzite puternic cat si de vapori de mercur din tuburi de sticla speciala de cuart (care nu absoarbe acest tip de radiatie). Lungimea de unda a acestei radiații se afla cuprinsă în domeniul 3,8·10-7m si 6·10-10 m

Radiația X sunt emise de tuburi speciale numite Röntgen în care un fascicul de electroni este accelerat cu ajutorul unei tensiuni electrice de ordinul zecilor de mii de volti, bombardează un electrod. Radiatiile X prezinta frecvente mari si sunt utilizate pentru realizarea radiografiilor medicale deoarece sunt aborbite diferit de muschi si oase impresionand placile fotografice

Radiatia γ constitue regiunea superioară (3·1018 – 3·1022 Hz) în clasificarea undelor electromagnetice în raport cu frecvența lor. Sunt produse de catre nucleele atomilor.[18][40][25][26]

Ecuațiile lui Maxwell

Atunci când unda electromagnetică cade pe un obiect conductiv, electronii sunt excitati și se genereaza curenți de suprafata. Curenții de suprafata transmit energia electromagnetica care este temporar captată pe suprafața obiectului. Energia va fi absorbită sau re-radiata de către obiect.

Undele electromagnetice pot fi analizate rezolvând ecuațiile lui Maxwell.

James Clerk Maxwell (1831-1879) a fost un fizician și matematician scoțian care a descris matematic distribuțiile de sarcini electrice și magnetice. Astfel, el a creat o serie de ecuații și a introdus un nou termen: factorul de deplasare. Aceste ecuatii aveau sa devină sinonime cu numele sau. Ecuațiile lui Maxwell exprimă existenta diversă a electricitații, magnetismului, a efectelor și comportării lor coroborate [17], [18].

Toate fenomenele electromagnetice (clasice) sunt descrise de ecuațiile lui Maxwell. Aceste ecuații arată relațiile dintre mărimile fizice de bază ale electromagnetismului, și anume:

Cele patru ecuații ale lui Maxwell scrise pentru cazul general sunt [15]-[19]:

Pentru tratarea undelor electromagnetice este de ajutor simplificarea ecuațiilor lui Maxwell în cazul particular al câmpurilor armonice în timp. În acest caz, și sunt fazori, adică depind simultan de poziție (r) și de timp (t), având o variatie sinusoidală. Aceste câmpuri, cu dependență sinusoidală de timp, pot fi reprezentate în domeniul fazorial ca funcții scalare armonice în timp. Un exemplu ar fi relația dintre câmpul electric armonic, și câmpul său fazorial, , acesta se poate scrie:

unde, cu f – frecvența radiației. Reprezentarea fazorială simplifică analiza undelor electromagnetice întrucât elimină dependența de timp din toate componentele de câmp.

Prin urmare, ecuațiile lui Maxwell se pot scrie în formă fazorială astfel:

Aici, se profită de faptul că derivata în raport cu timpul devine o simplă înmulțire cu jω în domeniul fazorial. Deoarece toți operatorii diferențiali vectoriali se raportează la spațiu și nu la timp, ei ramân neschimbați în forma fazorială a ecuațiilor lui Maxwell. [18],[19]

Un mediu considerat izotrop, nepolarizat, omogen și imobil în care neglijăm prezența sarcinilor electrice, este caracterizat de relațiile:

Astfel, ecuațiile lui Maxwell vor devenii:

Aceste ecuații sunt caracteristice cazului cel mai general, și anume cazul dielectricilor conductivi cu .

1.1.4. Ecuația undelor

În vederea descrierilor particularităților undelor electromagnetice se folosește un model ce va determina relația existenta între mărimile de stare caracteristice câmpului electromagnetic și anume: intensitatea câmpului electric – vectorul E și intensitatea câmpului magnetic H (specific celor două aspecte ale acestui câmp) precum și modul de propagare a câmpului electromagnetic prin unde, indicând modelul și dependența de punct și de timp ale acestor vectori de stare.

Deși un astfel de domeniu este un caz particular, cu multe restricții, a fost ales pentru că reprezintă situația cea mai răspândită în practica propagării undelor electromagnetice radio, în aer sau în vid (în „eter”), atât de utilizate în telecomunicații.

Cazurile de discontinuitate, neuniformitate, anizotropie, care generează efecte secundare, sunt tratate aparte în condițiile date (reflexie, refracție, difracție, radiații – atunci când p ≠ 0 sau / și m ≠ 0, efectul Doppler-Fizeau atunci când există viteze relative între sursele de radiații, observator, mediu etc.– deci când w ≠ 0 , atenuarea undelor în mediile disipative etc.). [14],[20]

(1.7)

(1.8)

(1.9)

(1.10)

(1.11)

(1.12)

(1.13)

Dacă vom introduce expresiile luidin relațiile 1.11, 1.12, 1.13 in relațiile 1.7, 1.8, 1.9, 1.10 in condițiile în care mediul este neîncărcat electric (adica și se vor obține ecuațiile si ale mărimilor de stare ale undelor [14]

(1.14)

(1.15)

(1.16)

(1.17)

Folosind relațiile 1.14, 1.15, 1.16, 1.17 se va putea determina ecuațiile (cu derivate parțiale) pe care le satisfac, în orice punct al mediului de propagare, mărimile de stare si ale undelor electromagnetice, prin aplicarea operatorului rotor relației (1.16)

(1.18)

Din care, inlocuindu-se cu expresia va rezulta

si anume (1.19)

, unde se va inlocuii cu expresia lui rezultand (1.20)

tinand cont de ecuația 1.20 atunci , respectivsi ecuatia 1.20 se va scrie astfel:

de unde și expresia:

;

Ecuația se mai poate formula astfel:

(1.21)

Reprezentand ecuația undelo relectroamgnetice

In urma unei scurte analize ecuația 1.17, este formată din ecuații cu derivate parțiale de ordinul doi de tip hiperbolic, care descriu, prin mărimile de stare E și H repartiția câmpului electromagnetic în timp și în spațiu (ocupat de un mediu liniar, uniform, imobil, fără polarizație electrică permanentă, fără magnetizație permanentă și fără câmp imprimat, însă disipativ –datorită prezenței parametrului de material γ=1/ρ). [14][20]

1.2 STADIUL ACTUAL AL CUNOAȘTERII ÎN DOMENIUL TEMEI PE PLAN NAȚIONAL SI INTERNAȚIONAL

Materialele compozite fac parte din categoria „noilor materiale”.Ele nu există în stare naturală, ci sunt create artificial pentru a răspunde unor exigențe bine definite. Printr-o alegere corespunzătoare, atât calitativ, cât și cantitativ a materialelor constituente se pot realiza materiale compozite cu proprietăți superioare materialelor tradiționale

Materialele composite sunt realizate prin combinarea, la scara macroscopică, a cel puțin doi constituenți. Legăturile mecanice și chimice, ce apar între matricea și armătura compozitului dau naștere unui material al cărui ansamblu de proprietăți este superior celui al constituenților luați separat [22]

Proprietatile materialelor compozite vor fi influențate de proprietățile materialelor constituente, de orientarea armăturii în compozit cât și de fracțiunea volumetrica a componentei de armare.

Proprietațile la inconvoiere ce caracterizeaza un material oarecare sunt urmatoarele:

Rezistența la inconvoiere ce poate fi definita ca tensiunea maxima la înconvoiere în fibrele exterioare ale unei epruvete la momentul ruperii

Modulul de elasticitate ce reprezinta raportul determinat la înconvoiere dintre tensiune și alungire în interiorul limitei de elasticitate

Tabelul 1 Caracteristicile celor mai utilizate fibre[22]

Utilizarea materialelor compozite are o importanță din ce în ce mai mare datorită proprietăților lor specifice cât și posibilităților de a adapta aceste proprietăți la condițiile de exploatare. Sfera aplicațiilor acestor materiale fiind foarte largă, schema următoare, fără a fi exhaustivă, dorește să ofere o imagine asupra modului lor de folosire.[27]

Datorită proprietăților specifice cât și posibilităților de a adapta aceste proprietăți la condițiile de exploatare, se constată că utilizarea materialelor compozite are o sferă a aplicațiilor foarte largă, din schema următoare se constată că sunt prezente în toate domeniile de activitate [28]

Fig.1.4 Domeniul de utilizare[28]

Se observă că domeniul de utilizare a materialelor compozite este vast.

Intr-o societate dezvoltată, el acoperă practic toate sectoarele activității economice.

Materialele compozite fac parte din categoria „noilor materiale și sunt create pentru a răspunde unor exigențe în ceea ce privește:

-rezistența la acțiunea agenților chimici;

-rezistența la coroziune;

-rezistența mecanică și rigiditatea;

-rezistența la solicitări variabile;

-rezistența la șoc și la uzură

Piața compozitelor

Se poate vorbi de existența a doua piețe pentru materialele compozite:

cea pentru aplicații curente și cea pentru produse cu performante deosebite. Competiția pe piața se desfasoară între materialele compozite și metale – în special fonta. Criteriile de baza- caracteristici și cost corelate cu domeniile de aplicare. [29]

Se observă ca evoluția pietei este favorabilă  atât compozitelor de uz general cât și celor de înaltă performantă. In primul caz, cauza – mai ales în cazul pieselor complexe o constituie avantajele existente în raport cu materialele metalice :

• facilitati de prelucrare – diversitatea, posibilitațile multiple asigura succesul deși productivitatea în cazul fontei este uneori mai mare

•consumul energetic mic pentru obținere și prelucrare în raport cu cel necesitat de metale. În general incidența cheltuielilor energetice la costul final reprezinta sub 2%

• dependența de alta ramura în cazul metalelor nivelul producției este decis de situația în domeniul siderurgic

În al doilea caz deși prețurile sunt foarte ridicate piața rămane favorabilă în anumite domenii de actualitate. De exemplu în cazul tehnicii aerospatiale se prefera compozitele polimerice în ce privește caracteristicile de rezistența (mecanice, chimice, termice), facilitațile de manipulare, costul.

Materialele compozite sunt alcatuite in principal din:

a) Material de bază (matrice – M) – material organice, metalice sau minerale,

b) Material de armare (MA),

c) Materiale auxiliare (MAUX).

Matricea înglobează materialul de armare iar fiecare component conferă noului material îmbunătățirea unor caracteristici. Materialul de armare influențează rezistența la tracțiune iar matricea influențează rezistența la compresiune și păstrează constant poziția materialului de armare, transmițîndu-i solicitările la care este supusă piesa.

Matricea leagă între ele materialele de armare, repartizează eforturile, preia de asemenea și solicitările la compresiune, îndoire și protejează structura împotriva agenților fizico-chimici.

Materialele de armare sunt cele care realizează rezistența mecanică (în particular preiau solicitările la tracțiune) și constituie scheletul structurii realizate.

Intre materialele de armare și matrice există o interfață ce influențează foarte mult comportamentul termomecanic al MC.[29]

Clasificarea materialelor compozite în funcție de matricea structural:

Matricea organica polimerică se definește ca fiind un lanț lung de molecule având una sau mai multe unităti de monomeri (molecule) ce se repetă și sunt legate prin legaturi covalente. Materialul plastic sau polimeric reprezintă un grup format dintr-un număr mai mare de molecule polimerice având structura chimica similara dar nu neaparat având aceeasi lungime. [28][29]

Figura 1.5 Matricea organica polimerica

Matricea polimerică este formată din:

-Polimeri termoreactivi – ce reacționeaza la temperaturi inalte cu compușii agenților de reticulare pentru a forma un produs reticulat. Polimerii termorigizii sunt următorii:

Rășini polibutadinice PBR

Rășini vinilesterice VER

Rășini epoxidice ER

Rășini poliesterice nesaturate UPR

-Elastomeri care se comportă eleastic la temperatura camerei

-Polimeri termoplastici aceștia fiind compuși organici ce apar in forma granulară și constau din molecule ce nu se află interconectate prin legaturi chimice. Exemple de polimeri:

– Acrilontrit-butadien-stiren

– Polistirenul PS

– Polipropilena PP

– Polietilena cu densitate reduse PE

– Policlorura de vinil PVC

Materialele compozite reprezinta primele materiale a căror dispunere structurală internă o concepe omul, atât prin înlănțuirea lor moleculară, cât și prin direcții preferențiale, conferindu-le în acest fel rezistențe favorabile, net superioare celor ale componentelor lor [28][29]

CAPITOLUL II

TEORIA ECRANARII

2.1 ATENUAREA CÂMPULUI EM ÎN INTERIORUL ECRANELOR DATORITĂ REFLEXIILOR

Ecranul reprezintă un perete conductor ce separă spațiul în trei regiuni distincte, una în care se gaseste sursa perturbatoare, a doua – care reprezintă ecranul propriu-zis și cea de-a treia- în care se gasește spațial protejat. Ecranele pot fi de diferite mărimi de la cele de forma unei pelicule – utilizate la frecvențe mai mari de 30 MHz pâna la cele masive. În cazul ecranarii câmpurilor electrice și/sau electromagnetice, ecanul reprezintă o referință de potențial pentru toate cablurile, filtrele și asigura calea de intoarcere pentru curenții paraziți. La frecvențe joase, ecranarea câmpurilor magnetice se face și cu ferite.

Mecanismul protecției realizate de un ecran la acțiunea câmpurilor electromagnetice este indicat în figura 2 și se bazează pe fenomenul de reflexie a undelor la intalnirea unei suprafete de discontinuitate și respectiv pe fenomenul de absorbție datorat propagării intr-un mediu disipativ dat.[30]

Figura 2 Acțiunea câmpului electromagnetic in ecran

Eficiența ecranării se apreciază prin atenuarea ecranului: AE este atenuarea ecranului pentru câmpul electric, iar AH – atenuarea pentru câmpul magnetic, definite ca raportul dintre componența corespunzatoare a câmpului electromagnetic intr-un punct din spațiul protejat (câmpul incident), fara ca ecranul să fie prezent și câmpul rezidual din același punct în prezența ecranului (câmpul transmis), ea fiind data, de obicei, dB:

AE=20lg (2.)

AH=20lg (2.1)

In cazul undei plane se poate definii atenuarea in putere SE (eficacitatea de ecranare – SE):

SE=10lg (2.2)

Unde Pin este puterea undei incidente, iarPtr– puterea corespunzătoare undei transmise in spațiul protejat

Trebuie remarcat faptul ca prezența ecranului perturba câmpul; o valoare pozitivă corespunde atenuarii campului electromagnetc și nu un castig. Daca atenuarea este negativă, nu este vorba de o amplificare, ci de o redirecționare a câmpului (de exemplu, materialele magnetice, la frecvențe joase pot să canalizeze câmpurile magnetice dintr-o zona a spațiului, producand astfel o întărire a câmpului). Așa cum rezultă din figura 2 atenuarea este produsă prin doua fenomene: atenuarea prin reflexive (internă sau externă) și atenuarea prin absorbtie.

Ecranul EM este un perete din material conductor, cu o grosime oarecare. O undă EM perturbatoare suferă reflexii la ambele suprafețe de separație: aer (exterior) – perete și perete – aer (interior) – fig. 2.1[30]

Figura 2.1 Atenuarea campului electromagnetic prin reflexii in cazul ecranului electromagnetic[30]

Datorită reflexiilor, amplitudinile vectorilor E și H ale undei transmisă vor fi reduse față de unda incidentă – vor aparea și anumitele pierderi prin reflexie. Din rel. (2.1) și (2.2), rezultă amplitudinile câmpurilor (transmise) în mediul 2 la suprafața de separație exterior – perete ecran:

=; = (2.3)

Mediul 1 este aer iar mediul 2 este conductor – peretele ecranului, deci Z2 <<Z1, deci câmpul electric este atenuat iar câmpul magnetic este mărit. În interiorul ecranului, presupunând că undele nu sunt atenuate la trecerea prin ecran, câmpurile sunt:

==; ==; (2.4)

Mediul 3 este aer (cu Z1) iar mediul 2 este conductor – peretele ecranului (cu Z2), deci Z2 <<Z1 ,deci câmpul electric este mărit iar câmpul magnetic atenuat.

Se observă că deși câmpul electric și magnetic se comportă diferit la cele două suprafețe de separație, efectul global este același: atenuarea undei în interiorul ecranului. De fapt, există unele deosebiri. Astfel, câmpul electric este atenuat cel mai mult la peretele exterior (reflexia este maximă); câmpul electric în peretele ecranului este mic și deci reflexiile multiple în perete au efecte reduse. In schimb, câmpul magnetic este mare în perete și reflexiile multiple pot degrada atenuarea. Se observă că grosimea peretelui nu contează în atenuarea prin reflexie. Considerând Z2 <<Z1 ,relațiile (1.25) se pot simplifica

=≈; =≈ ; (2.5)

Notând impedanța mediului exterior ecranului cu Z0 și a ecranului cu ZE (Z0 = Z1, ZE = Z2), atenuarea prin reflexie AR = 20log (Et exterior ecran / Et interior ecran (dB) rezultă:

AR=20log≈ dB (2.6)

Calculele de mai sus sunt făcute în ipoteza undei perpendicular pe ecran, cazul cel mai dezavantajos. Dacă unda plană este incidentă sub un unghi oarecare, atenuarea este mai mare, cu atât cu cât depărtarea de la normal pe perete este mai mare. Rezultatele se pot aplica și pentru alte tipuri de unde, nu neapărat plane, deoarece orice câmp EM poate fi construit prin superpoziția unor suprafețe plane (cu condiția ca raza de curbură să fie mare față de lungimea de undă).[30]

2.2 PĂTRUNDEREA UNDELOR ÎN METALE LA INCIDENȚĂ NORMALĂ. PIERDERI PRIN ABSORBȚIE

Vom considera pentru inceput un perete metalic plan avand o grosime infinită pe care cade normal o undă EM plană – fig. 2.2 consideram ca sistemul de axe cu originea pe suprafața de separație, Oz direcția de propagare și vectorul H pe Oy.

Avand in vederea variatia câmpului doar pe axa Oz, problema este unidimensională. Astfel, propagarea câmpului în metal poate fi descrisă de ecuațiile lui Helmholtz – în care E și H au componenta doar pe axa Ox respectiv Oy: [30]

Figura2.2 Perete metalic

ΔEx=Г2Ex, ΔHy=Г2Hy (2.7)

=Г2Ex(z); =Г2Hy(z); (2.8)

Exsi Hy sunt componentele câmpului transmis Et respective Ht

Soluțiile ecuațiilor sunt de forma:

Et(z)=Ex(z)=C1EeГz + C2Ee-Гz, Ht(z)=Hx(z)=C1HeГz + C2He-Гz,

Mediul metalic fiind considerat infinit, nu poate exista unda reflectată; exista doar unda directa:

Et(z)=C2Ee-Гz, Ht(z)=C2He-Гz, Et(0)=C2E=E0siHt(0)=C2H=0deci:

Et(z)=Eoe-Гz , Ht(z)=Hoe-Гz (z ≥ 0) (2.9)

Ținând seama în metale Γ =α + jβ ,că α = β = 1/ δ – cu δ adâncimea de pătrundere și de variația armonică a câmpului, rezultă:

Et (z,t)=Eoe-(α+jβ)zejωt= E0e-αzej(ωt-βz)=E0e-z/δej(ωt-z/δ)in final va rezulta

Et (z,t)=Eoe- e j(ωt-),Ht (z,t)=Hoe- e j(ωt-) (2.10)

Et (z,t)=Eoe- cos(ωt-),Ht (z,t)=Hoe- cos(ωt-) (2.11)

Relațiile (2.10) si (2.11) sunt ecuațiile undelor de câmp electric și magnetic în peretele metalic cu grosime infinită și se observa scăderea exponențial a amplitudinii cu distanța de la suprafața de separate.

Se observă acum și semnificația adâncimii de pătrundere δ: este distanța pe care intensitatea câmpului electric și magnetic scade de “e” ori (e = 2,71…). Scăderea câmpului în metale se datorează curenților turbionari induși de câmpul exterior, care circulă prin metal și determină pierderi de putere pe rezistența conductorului. Astfel, energia undei (a câmpului EM) este “absorbită” de mediul conductor și transformată în căldură. Incălzirea mediului se constată experimental – de altfel, pe acest fenomen se bazează funcționarea cuptoarelor cu microunde. Atenuarea datorată absorbției de putere – atenuarea de absorbție (sau de transmisie) este aceeași pentru ambele componente ale câmpului:

AA (z)=20log(=20log (ez/δ)=20() log(e)

Asadar pentru un ecran cu gorsimea d, atenuarea este de

AA=8.69(d/δ) (2.12)

Ceea ce inseamna 8,69≈9dB pentru fiecare “δ” Tinând seama ca:

δ=== 0.066 (σCu=5.814*1071/Ωm)

rezulta

AA=132 d (dB) cu [d]=m, [f]=Hz, σr(Cu)=σ/σCu (2.13)

De exemplu: pentru un ecran din Cu cu d=0.5mm, la f=1MHz rezulta: δ=0.066mm si AA=66dB; la f=1kHz rezulta: δ=2.09mm si AA≈2dB – neglijabil;

2.3 ECRANARE PRIN REFLEXII MULTIPLE INTERNE

Atenuarea prin reflexii multiple este corelată cu atenuarea prin absorbție care, așa cum se va vedea in continuare depinde de adâncimea de patrundere a cîmpului în material. Atenuarea, prin reflexii multipli este introdusă în calculul absorbției total prin intermediul unei corectii C in conformitate cu figura 2.4 Daca atenuarea prin absorbție este mai mare decat 6 dB, corecția pentru atenuarea prin reflex multiple este 0 dB [31]-[33]

Figura 2.3 Corectia pentru atenuarea prin reflexii multiple

2.4 TIPURI DE ECRANE – MATERIALE UTILIZATE

Pentru a fi eficiente, ecranele trebuie să aibă dimensiuni mult mai mari decat zonele conductoare, iar distanța dintre componente fața de suprafața metalului trebuie sa fie mai mică decat o zecime din lungimea de unda corespunzatoare celei mai mari frecvențe. Dacă spațiul este mai mic decat λ/6, există posibilitata ca eficiența ecranării/atenuarea să devină negativă, adică să anuleze efectul ecranarii.

Exista situații în care avem nevoie de o cușcă Faraday, fie pentru intregul produs/incintă sau a unor subansambluri cu sensibilitate ridicata sau emitatoare de perturbații. Aceste ecrane realizeaza și protecția la descarcarile electrostatica iar daca sunt legate la masă, protecția la curenții accidentali. Indiferent de scopul pentru care sunt utilizate ecranele, trebuie să se țina seama că utilizarea lor conduce la creșterea prețului de cost al produselor, dar și a greutatii acestora; mai mult, introducerea ecranelor trebuie facuta in prima faza de proiectare, adaugarea ulterioara a acestora fiind extrem de complicată și de multe ori, cu eficienta redusa.

Ecranarea se poate realiza cu materiale magnetice sau nemagnetice: în cazul in care se doreste ecranarea câmpurilor magnetice de joasa frecvența este obligatoriu folosirea materialelor magnetice. La frecvența de peste 200kHz se folosesc de obicei ecrane nemagnetice din aluminiu sau cupru, unerori argintate sau aurite, sub forma de table, folie, hartie aluminizata. Aceste metale au o foarte buna conductivitate electrică iar permeabilitatea magnetic realtivă, egala cu unitatea. În mod normal, grosimea ecranelor este de ordinul 0.75-3 mm, ceea ce asigura absorbția pentru mai multe “adancimi de patrundere” .[23][24]

Deoarece ecranarea se datorează circulației curenților turbionari, este necesar ca ecranele

să fie din materiale bune conductoare și să fie realizate astfel încât să permită circulația acestor curenți.

Materialele conductoare pot fi: nemagnetice (μr = 1) sau magnetice (μr>> 1).

Materialele magnetice au μr >> 1, dar în general conductivitatea (σ) este sensibil mai redusă decât a materialelor nemagnetice uzuale pentru ecrane (cupru și aliaje, aluminiu).

Consecințele sunt:

pierderile prin absorbție vor creste deoarece scade adâncimea de pătrundere ; iar creșterea μr este mult mai mare decât scăderea σ.

pierderile prin reflexive vor scadea deoarece crește impedanța ecranului=

Pierderile prin reflexive sunt mici in cazul câmpurilor magnetice de joasă frecvență, iar principalul mecanism de ecranare este absorbția. Ca urmare, este avantajos ca ecranul să fie realizat din materile magnetice.

In cazul câmpurilor electrice de joasă frecvență, atenuarea se realizează în principal prin reflexie. Utilizarea unui material magnetic reduce într-o măsură atenuarea.

Cunoașterea unor însușiri ale materialelor magnetice este esențială pentru correcta utilizare a acestor material.[23][24]

Caracteristica de magnetizare a materialelor magnetice va avea aspectul din figura 2.5 Ca urmare, permeabilitatea variază cu intensitatea câmpului magnetic – fig. 2.5 De regulă, pentru material este specificată permeabilitatea inițială (μri), adică la câmpuri foarte mici. In regiunea de saturație permeabilitatea scade, tinzând spre 1.De regulă, câmpurile perturbatoare sunt departe de valoarea de saturație astfel că μr icontează, uneori μrmax.

De regulă, cu cât μri este mai mare, saturația apare la câmpuri mai puțin intense. In

cazul ecranării unor câmpuri foarte intense, se poate realiza ecranul din două straturi: primul strat va fi din material cu μri mică și care nu se saturează în câmpul perturbator iar al doilea, cu μri mare, nu mai este solicitat la saturație. Ecranul cu μri mică trebuie montat în spre sursa de câmp.

Figura 2.4 Caracteristica de magnetizare B(H) și variația permeabilității cu intensitatea câmpului magnetic

Permeabilitatea scade cu frecvența. In general,cu cât permeabilitatea inițială este mai mare, cu atât scăderea este mai accentuată; fig. 2.5 este relevantă în acest sens.

Figura 2.5 Permeabilitatea initiala

Permeabilitatea este afectată de prelucările și solicitările mecanice (îndoire, ștanțare, forfecare etc.), în urma cărora se reduce drastic. Efectele sunt cu atât mai pronunțate cu cât permeabilitatea este mai mare. [23]

Revenirea la proprietățile inițiale se poate face prin recoacere (peste punctul Curie) și răcire lentă. De regulă, tratamentul de revenire se execută după fabricarea ecranului după care se impune manipularea cu atenție

In concluzie, în legătură cu ecranarea câmpurilor magnetice:

· Pentru ecranarea câmpurilor magnetice de joasă frecvență (sub 10 – 100kHz), materialele magnetice sunt mai eficiente decât cele nemagnetice.

· Pentru frecvențe foarte joase (sub 1kHz) sunt preferabile materialele cu μri mare ca Permalloy, Mumetal, Hypernick.

· Pentru frecvențe ceva mai mari (1 … 100kHz) trebuie utilizate materiale cu μri maimică ca: fier, oțel, oțel inoxidabil.

· La frecvențe mari (peste ≈100kHz) sunt preferabile materialele nemagnetice cu conductivitate mare.

2.4.1 Mărimi de material electrice și magnetice

În anumite sisteme fizice și in anumite regimuri particulare, efectele fenomenelor electromagnetice sunt uneori puternic influențate de natura materialelor: de substanța corpurilor și a mediului sistemului fizic în care se manifestă acțiunile electromagnetice.

Modelele teoriei macroscopice (unele legi . cum ar fi așa-numitele legi de material, unele teoreme, relații de calcul etc.) conțin termeni de tip mărimi fizice, care pentru a generaliza modelul elaborat la orice situație în care intervine influența materialelor iau valori specific fiecărui material întâlnit în aplicațiile practice. Acestui tip de mărimi poarta numele de de mărimi de material, electrice sau magnetice în funcție de aspectul câmpului electromagnetic modelat.

Mărimile de material ar trebui să aibă niște valori constante determinate experimental, pentru fiecare material în parte, astfel încât un model al teoriei să se aplice întocmai (eventual cuunele restricții și aproximări) în orice situație, însă utilizând valoarea specifică materialului.

Aceasta ar fi posibil dacă diversele sisteme fizice analizate prin modelele ce conțin mărimi de material ar fi identice cu sistemele fizice (corpuri, obiecte, mediu etc.) asupra cărora s-au făcut experimentările și s-au indicat valorile (constantele) mărimilor de material. De aceea, modelele de material sunt astefel elaborate sau/și restricționate încât să aproximeze dependența reală între mărimile caracteristice în funcție de un material de referință pentru care modelul este exact. [13],[14]

Acest material de referință este considerat uniform (adică omogen și izotrop) și liniar (adică un corp sau material sau mediu ale cărui valori de material nu depind de mărimile de stare ale câmpului electromagnetic sau de mărimile de stare electrică și magnetică a corpurilor, ca de exemplu. E,H,i,u.)

Nici un corp nu este strict liniar iar modelele care se referă la descrierea comportării lor în câmp electromagnetic sunt în fapt. niște ecuații cu coeficienți variabili, coeficienți care reprezintă tocmai mărimile de material cu valori care depind de variabilele modelului (de exemplu mărimile de stare ale câmpului). Manipularea acestor modele neliniare necesită metode de calcul speciale, pachete de programe specifice și o modalitate de redare a dependenței mărimilor de material de valorile mărimilor de stare

Permitivitatea vidului

Este o constantă universală pentru aspectul electric al câmpului electromagnetic radiat în

vid. Ea mai poartă și denumirea de permitivitate dielectrică a vidului (dar se preferă denumirea

simplificată, ce nu produce confuzii, de permitivitate a vidului), se notează cu ε0 și are o valoare

care depinde de sistemul de unități de măsură. [13],[14]

În sistemul SI valoarea permitivității vidului se exprimă în farad pe metru și are valoarea

(2.14)

unde F este simbolul faradului, care este unitatea de măsurăa capacității electrice

Permeabilitatea vidului

Este o constantă universală pentru aspectul magnetic al câmpului electromagnetic radiat în vid. Permeabilitatea vidului se notează consacrat 0 μ și are o valoare ce depinde de sistemul de

unități de măsură.

În sistemul SI valoarea permeabilității vidului se exprimă în henry pe metru și are valoarea:

H/m (2.15)

unde H este simbolul henry-ului, care este unitatea de măsură pentru inductivitățiși permeanțe

În teoria radiației electromagnetice, a propagării undelor electromagnetice în vid se demonstrează că viteza de propagare a undelor electromagnetice în vid este egală cu viteza luminii în vid c0(o constantă universală), care se exprimă prin dependența de constantele universale si prin relația:

(2.16)

care in SI conduce la

(2.17)

Permitivitatea

Permitivitatea absoluta descrie comportarea unui material in camp electric din punctul de vedere al polarizarii electrice. Se noteaza cu ε si pentru un material omogen plasat intr-un camp electric uniform se determina prin raportul dintre valoarea absoluta a inductiei electrice determinate în material și valoarea absolută a intensitatii câmpului electric în care se afla materialul:

(2.18)

cu condiția ca materialul să nu aibă polarizatie permanentă. Permitivitatea absoluta se exprima numeric in farad pe metro F/m [13],[14]

Așa definită, permitivitatea absolută este o mărime specifică materialelor dielectrice. Dacă un dielectric are ε = f (E) se spune despre el că este neliniar, iar dacă ε = const., dielectricul este liniar.

În practică, permitivitatea se exprimă în raport cu permitivitatea vidului, ε0 luată ca unitate de măsură, numindu-se astfel permitivitatea relativă, notată cu εr și definită prin:

(2.19)

care este un numar real, adimensional

Se constată, experimental, că permitivitatea unui material este influențată de mediu, depinzând de: temperatură (θ), presiunea (p), frecvența câmpului electric (dacă acesta variază alternativ în timp) ș.a

permitivitățile relative ale unor material

Tabelul 2 Permitivități relative, la θ= 200C și p = 101.308 Pa [25]

Permeabilitatea

Permeabilitatea absolută descrie comportarea unui material anume în câmp magnetic din punctul de vedere al magnetizării acelui material. Se notează cu μ și pentru un material omogen plasat într-un câmp magnetic uniform se determină prin raportul dintre valoarea absolută a inducției magnetice produsă în material și valoarea absolută a intensității câmpului magnetic în care se află materialul

(2.20)

cu condiția ca materialul să nu aibă magnetizație permanenta. Permeabilitatea absoluta se exprimă in [H/m]

Dacă un material are permeabilitatea absolută constantă, independentă de intensitatea

câmpului magnetic (μ =const H ), se spune despre el că este liniar. În caz contrar, când μ = f(H), materialul este neliniar și funcția poartă numele de curbă de magnetizare

În practica, permeabilitatea se exprima în raport cu permeabilitatea vidului, , luata ca unitate de măsura, numindu-se din aceasta cauză permeabilitatea relativa, notată cu si definite prin

(2.21) care este un numar real, adimensional.

Se constată, experimental, că permeabilitatea unui material este influențată de mediu, depinzând de: temperatură (θ), presiune (p), frecvența câmpului magnetic (dacă acesta variază alternativ în timp), tensiunile mecanice și deformațiile interioare (ce se produc atunci când materialul, corpul confecționat din acel material, este supus unor solicitări mecanice exterioare: încovoiere, întindere, compresiune etc.).

Din punctul de vedere al comportării în câmp magnetic, caracterizată de valorile tipice ale permeabilității relative, diversele materiale se împart în: diamagnetice (care au µr< 1), paramagnetice (care au μr> 1), feromagnetice (care au o curbă de magnetizare neliniară, prezintă un pronunțat histerezis și o dependență μr = f(H) caracterizată de mai multe valori ale permeabilității relative dintre care în tabelul 2 sunt prezentate numai două: valoarea inițială µi pentru H = 0 și B = 0 și valoarea maximă posibilă µmax), antiferomagnetice (la care magnetizația M are o valoare absolută ce variază puternic cu temperatura) și ferimagnetice [13],[14]

Tabelul 2.1 Permeabilități relative ale unor materiale, la θ = 200C și p = 101.308 P [25]

* , reprezintă susceptivitatea magnetică, ce va fi prezentată în subparagraful ce urmează.

Susceptivitatea

Este o mărime de material adimensională care exprimă disponibilitatea unui material de a se polariza electric atunci când este introdus în câmp electric sau de a se magnetiza atunci când este plasat într-un câmp magnetic. De aceea se definesc două feluri de susceptivitate: electrică și

magnetică.

Susceptivitatea electrică se va nota cu și este un coeficient (un număr real) adimensional, care exprimă proporționalitatea dintre polarizația electrică a materialului și intensitatea câmpului electric în care se află materialul. Se poate definii, fiind o constanta specifică naturii unui material, numai pentru substanțele omogene, izotrope, liniare și fără polarizație electrică permanentă prin raportul:

(2.22)

undesi sunt valorile absolute ale polarizatiei electrice si respective intensitatii campului electric existente intr-un material anume. Materialele care au nu sunt susceptibile de a se polariza electric

Susceptivitatea magnetica o notam cu si este un coeficient adimensional, care exprima factorul de proportionalitate dintre magnetizația a materialului și intensitatea câmpului magnetic în care se afla materialul. Se poate definii, fiind o constantă specifică naturii unui material, numai pentru substantele omogene, izotrope, liniare si fara magnetizație permanentă prin raportul

(2.23)

in care si sunt valorile absolute ale magnetizatiei si respective a intensitatii campului magnetic existent intr-un anume material.

În tabelul 2.1 au fost indicate valorile lui χm, pentru exemplificare, ale câtorva substanțe. Materialele cu χm = 0 sau foarte mic χm < ± 10-6 nu sunt susceptibile de a se magnetiza[13][14]

Conductivitatea electrică. Rezistivitatea

Comportarea unui material în ceea ce privește starea sa electrocinetică, de conducție electrică, depinde de natura substanței și starea ei, fizică și chimică, putând fi evaluată cantitativ prin mărimile specifice de material denumite conductivitate electrică și / sau rezistivitate care calitativ (ca noțiune) și cantitativ (numeric) sunt mărimi inverse.

Conductivitatea electrică a unui material uniform, mărime ce se notează cu γ, se poate defini prin raportul:

(2.24)

undesi sunt valorile absolute ale intensitatii campului electric dintr-un punct al materialului și respectiv densitații de curent existente în acelasi punct. În fapt numai la materialele uniforme, conductivitatea electrică reprezintă coeficientul de proproționalitate dintre mărime de stare electrocinetica a corpului (materialului)și mărimea de stare a câmpului electric , existente în acelasi punct.[13][14]

Experiența a arătat că, introduse într-un câmp electric, corpurile dobândesc o stare electrocinetică care depinde de materialul corpului, fapt exprimat cantitativ de mărimea de material conductivitate electrică γ (notată uneori și cu σ). Conform definiției (1.61), ecuația dimensională a conductivității electrice este:

(2.25)

În funcție de valorile pe care le are conductivitatea lor electrică γ, materialele se clasifică în:

-conductori, dacă γ> 106S/m (de exemplu cuprul electrolitic are are γCu = 5,8⋅107S/m),

-izolanți, dacăγ< 10-16S/m și

-semiconductori, dacăγ= 10-3… 105.

Rezistivitatea materialului, notată cu ρ, se definește prin relația:

(2.26)

Reprezintă inversa conductivitații

Rezistivitatea materialelor este influențată de acțiunile exterioare în special ale căldurii și solicitărilor exterioare. Astfel, variația cu temperatura a rezistivității materialelor se poate determina cu expresia polinomială:

(2.27)

pentru domenii relativ mici de temperatura si poate fi exprimata printr-o variatie liniara

Reatiile 2.26 si 2.27 prezinta rezistivitatea materialului determinat la o temperatură de referința T0

Tabelul 2.2 Rezistivitatea și coeficientul de temperatură al unor metale[34]

În tabelul 2.2 sunt prezentate valorile mărimilor ρ și α pentru câteva materiale conductoare metalice.

2.4.2 Ecrane multistrat (magnetice si electrice)

Ecranul electromagnetic reprezintă o bariera metalica aflată intre doua regiuni ale spațiului, scopul acestui ecran este de a controla propagarea campurilor electrice și magnetice dintr-o regiune in alta. Ecranarea se poate face la sursa, la receptor cat și in ambele cazuri.

Ecranarea electromagnetică este corelată de propagarea și interactiunea câmpurilor magnetice ale surselor de radiații in medii cu proprietați fizice și electrice diferite care se caracterizează prin reflexia, refracția și aborbtia energiei electromagnetice.[3], [6], [8], [9], [10], [36].

Unda electromagnetic reflectata in urma interactiunii cu ecranul este reflectata de suprafata acestuia si patrunde partial in peretele unde este supusa absorbtiei.

O eficacitate buna poate fi obținuta utilizand mai multe ecrane combinate (multistrat) magnetice (permalloy, oteluri special) sau nemagnetice (Al, Cu) [6], [37-42].

În ecranele cu straturi subtiri sunt determinate procesele fizice, acestea producându-se in ecrane combinate astfel: [37-42]

Reflexia energiei campului electromagnetic pe numeroase limite de separare a mediilor cu caracteristici electrofizice diferite;

Actiunea inversa favorabila a diferitelor straturi-ecran, unul peste celalalt se refera la strict la interacțiunea curenților turbionari indusi în acestea;

În urma eliminarii efectului de saturatie al materialelor feromagnetice din compunerea ecranelor multistrat, având în componența conductivitatea specifică ridicată și permeabilitatea magnetic scazuta;

Influenta factorilor reprezinta un caracter complex, aportul fiecaruia dintre acestia va duce la cresterea eficacitatii ecranarii unui ecran cu straturi multiple și se manifesta in mod diferit. [36]

Coeficientul de ecranare SE sau SH să fie egal cu raportul dintre amplitudinea intensitații câmpului electric sau magnetic ce caracterizeaza câmpul de perturbație intr-un punct oarecare al domeniului ecranat (E3, H3) și amplitudinea intensitații câmpului în acelasi punct în lipsa ecranului (E1, H1)

SE=E3/E1, SH=H3/H1 (2.28)

Atenuarea ecranarii se determină ca marime inversa a coeficientului de ecranare dB [8];[10]

Pentru ca o atenuare să fie buna, se va lua în considerare coeficientii de ecranare ce ar trebuii sa fie cat mai mici. Coeficientul de ecranarea pentru ecranele cu mai multe straturi se va determina astfel:

Pentru un ecran cu doua straturi: (2.29)

Pentru un ecran cu treistraturi (2.30)

S1, S2, S3 reprezinta coeficientii de ecranare ai diferitelor straturi-ecran, incepand cu cel exterior

W1,W2,W3 reprezinta coeficientii de interactiune ai straturilor ecran [37]-[42]

Coeficientii de interactiune sau factorii de rectie W se stabilesc în masura în care câmpul magnetic perturbator este distorsionat de câmpul creat de circulatia curentilor turbionari în corpul ecranului sferic.

Studierea proceselor de ecranare cu straturi multiple prezintă interes sub doua aspecte importante: intrebuințarea ca ecran de protecție și în al doilea rand studierea proprietaților de protecție ale diferitelor ecrane sub ansamble si blocuri ale aparaturii aflate in corpul-ecran al echipamentului

Ecranul sferic cu doua straturi feromagnetice

Ecranul sferic cu doua straturi prezinta urmatorii coeficienti de interacțiunea straturilor-ecran

(2.31)

(2.32)

iar

reprezinta adancimea de patrundere

d – grosimea ecranului

R raza ecranului sferic [37]-[42]

Figura 2.6 Modul de dispunere a straturilor [35]

In figura de mai sus sunt prezentate doua ecrane sferice cu două straturi, având o dispunere diferita a straturilor, in care Fe este notat stratul ferromagnetic al ecranului, iar nFe stratul neferomagnetic.

Tabelul 2.3 Ecran sferic cu doua straturi in care sunt calculate valorile maxime ale coeficientilor de interactiune.

Din tabelul 2.3 si din relatia 2.32, reiese că folosirea drept ecran al straturilor de protecție identice prin caracterisicile lor electrofizice va conduce la cresterea coeficientului total de ecranare St.

In cazul unor material diferite prin caracteristicile lor electrofizice, numitorul relatiei (2) va fi (1-W1W2)>1, in timp ce pentru materialele identice (1-W1W2)<<1, fapt ce va duce la creșeterea coeficientului total de ecranare St cât și la inrautatirea proprietatilor de protecție ale unui ecran cu straturi multiple.

Tabelul 2.4 Valorile coeficientilor de interactiune ai straturilor

In tabelul 2.4 sunt calculate valorile coeficientilor de interactiune ai straturilor pentru aceste doua cazuri, cu condiția ca fiecare strat sa exercite o acțiune de ecranare considerabila, S1, S2<<1. Daca valorile se vor substituii W1 si W2 va reieșii următorii coeficienți: (2.33)

(2.34)

Proprietațile de ecranare in partea interioara sunt de doua ori mai bune decat in cazul dispunerii aceluiași strat in directia sursei campului purtator de perturbatie.

Figura 2.7 Variatia stratului de cupru in procente in raport cu grosimea totala a peretelui ecranului realizat din cupru si otel

Pe grafic observam in prima zona campurile de joasa frecventa, cel mai bun efect de ecranare il da un ecran omogen numai din otel.

În a doua zona în gama de frecvente cuprinsă intre 0.5kHz si 10kHz se recomanda folosirea unor grosimi identice ale straturilor de cupru și otel, în acest caz acțiunea stratului de cupru incepe să se manifeste în regim electromagnetic, stratul de otel continuă să functioneze în regim magnetostatic.

Zona a treia este cuprinsa în gama de frecvente 10kHz-20kHz pîna la frecvențe inalte, atat cuprul cat și otelul functionează în regim electromagnetic dupa principiul curenților turbionari.

S-a considerat ca intre straturile ecranului multistrat exista un interval izolant, însa acesta este foarte subtire, obținandu-se un ecran in ecran.

Daca se pleaca de la relatia

(2.35)

Pentru un ecran cu trei straturi ținem cont ca stratul mediu este un dielectric și se va obtine

[8]-[12] urmatoarea relatie: (9) unde iar R1 si R2 reprezinta ecranele sferice interior si exterior.

Folosirea unor straturi dielectrice subțiri egale ca grosime cu straturile metalice ale ecranului, nu asigura un efect considerabil. Cresterea distantei între ecrane exercita o influența considerabila asupra cresterii proprietaților de protectie ale sistemului ecran in ecran.

Raza ecranului exterior R1>> R2, ecranele au aceeasi grosime a peretilor d1=d2=d, astfel coeficientul de ecranare se va scrie astfel:

(2.36)

ecuația coeficientului sistemului ecran in ecran se va scrie astfel:

(2.37)

Iar raportul dintre S1 si S11 se va scrie astfel:

(2.38)

Daca in cazul ecranarii de inalta frecventa atunci S1>>S11 deci utilizarea sistemului ecran in ecran ofera un castig evident în comparatie cu ecranarea generala pentru condiții echivalente.

CAPITOLUL III

REALIZAREA PRACTICA SI TESTAREA UNOR ECRANE ELECTROMAGNETICE

3.1 REALIZARE ECRANE ELECTROMAGNETICE

Materialele in general prezintă fluxul unui anumit tip de câmp, o conductivitate suficient de mare sau care se afla în stare să creeze câmpuri de reacție prin influentă sau inductie, acestea fiind utilizate ca ecrane. Materialele utilizate cel mai des ca ecrane sunt din materiale neferoase cat și din materiale feromagnetice. Compararea a doua ecrane de aceeași grosime din Fe si Cu reliefeaza complexitatea efectului de ecran.

Adancimea de patrundere intr-un material este mai mare decat grosimea ecranului sub 100 kHz, astfel incat materialul cu conductivitate mai mare are un factor de atenuare mai mare). Peste 200kHz, adancimea de patrundere:

Devine mai mica decat grosimea ecranului, astfel incat permeabilitate devine importanta si atenuarea ecranului de fier depaseste atenuarea ecranului de cupru. La frecvente foarte mici, exista un nou punct de intersectie, astfel ca ecranul din fier prezinta înca o oarecare eficacitate chiar si la f = 0, în timp ce ecranul din cupru nu are nici un efect asupra campurilor magnetostatice.

Figura 3 Factorul de atenuare al ecranului la o incinta cilindrica ecranata plasata in camp magnetic transversal (o = 5m, do= 0,1mm, Cu = 58.106 S/m, Fe7.106 S/m, Cu = 1, Fe = 200)

Ecranele din otel inoxidabil prezinta, datorita rezistivitatii mari si proprietatilor lor paramagnetice (μr~1), o atenuare relativa mai mare decat ecranele de cupru sau fier.

În cazurile în care se urmareste folosirea avantajelor oferite de permitivitatea εr și permeabilitatea μr a unui material de ecranare, trebuie să țina cont atat de dependenta mărimilor de mai sus, de frecvența, cât și de efectul neliniar al saturatiei. Pentru eliminarea influentei saturatiei se pot folosi uneori ecrane multiple la care materialele cu permeabilitate redusa si domeniu larg de liniaritate sunt plasate spre sursa de perturbatii, iar ecranul magnetic cu efect de ecranare ridicat este plasat într-un câmp deja atenuat, intr-o oarecare masură. Mai departe, trebuie ținut cont ca permeabilitatea reala a materialelor magnetice prelucrate prin deformare este mult sub valorile date în tabele sau cataloage pentru materiale neprelucrate, determinate în condiții optime de magnetizare.

În cazul unor cerinte foarte reduse privind eficacitatea ecranarii, pot fi considerate drept ecrane electromagnetice chiar și impletiturile metalice respectiv armaturile din fier beton ale cladirilor etc. Efectul de ecranare al acestora este însa relativ redus și numai în putine cazuri utilizarea lor reprezintă o soluție tehnica acceptabila.

Înlocuirea crescanda a carcaselor metalice ale aparatelor cu carcase din materiale plastice, respectiv materiale izolante, a facut ca în ultimii ani să castige mult în importanța materialele plastice conductoare, respectiv materialele plastice metalizate. Materialele plastice cu conductivitate intrinseca sunt în prezent în stadiul de cercetare-dezvoltare. Materialele plastice conductoare care corespund stadiului actual al tehnicii contin, în cantitati importante, adaosuri de materiale conductoare (negru de fum, pulberi metalice, etc.) și sunt adecvate numai pentru anumite utilizari. În multe cazuri, carcasele din material plastic sunt prevazute, în interior, cu un strat conductor obținut prin metalizare cu flacara sau cu plasma, aplicare de lac conductor, tratament galvanic, vaporizare sub vid, etc. Ferestrele ecranate se realizează, în mod normal, prin depuneri metalice transparente pe sticla (evaporare sub vid, implantare de ioni). Efectul de ecranare al depunerilor transparente conductoare este bineințeles limitat și ele ofera o atenuare sesizabilă numai pentru câmpurile electrice cuasistationare. Acțiunea, importanta în practica, de ecranare fața de câmpurile magnetice cuasistationare este foarte mica. O eficacitate mai mare, in special la frecvente mari, o ofera țesaturile din fir metalic, transparente.

Rezistenta relativ mare a căii de curent rezultate în urma aplicarii ulterioare a unor straturi subțiri conductoare este dezavantajoasă din punct de vedere al eficacitatii ecranării; în schimb, este uneori avantajoasa în sensul crearii unei căi de scurgere a sarcinilor electrostatice.

La frecvențe înalte și la grosimile de ecranare utilizate in practica, efectul de ecranare al unei carcase este în mai mica măsura determinat de materialul ecranului decat de zonele slabe care rezultă din condiții funcționale sau din motive de fabricație sau montaj.

Adeseori, alegerea materialului ecranului nu este determinată numai de efectul de ecranare propriu-zis, ci și de alte puncte de vedere, cum ar fi: daca materialul ecranului serveste ca învelisul unei cladiri deja existente, daca trebuie să formeze o cabina ecranată autoportanta sau daca exista probleme de coroziune etc.

3.1.1 Ecrane pe bază de microfir

Materialele compozite sunt definite ca materiale inginerești realizate din doi sau mai mulți constituenți cu proprietăți semnificativ diferite fizice sau chimice care rămân separate și distincte în structura finala. Principalul avantaj pe care îl au compozitele reprezinta abilitatea de-a avea proprietăți care nu se pot obține din materiale omogene. Materialele compozite constau în două componente – matricea și materialul dispersat prin ținerea lor foarte aproape. Materialul dispersat dă proprietăți unice cum ar fi cele fizice, mecanice, electrice etc. ale matricei. [43]

Oricum, compozitele nu sunt folosite doar pentru avantajele lor structurale. Aplicațiile electromagnetice ale compozitelor cresc rapid in industria de azi. Compozitele variază de la una la alta in ceea ce privește proprietățile electromagnetice din moment ce compozitele sunt făcute din fire de concentrații diferite. Compozitele pot fi făcute cu proprietăți electromagnetice, fiind folositoare atât in aplicații civile cat si de apărare. De exemplu, compozitele pot fi folosite ca un design al antenelor noi și protecție împotriva circuitelor de mare putere împachetate. Pentru aplicații de compatibilitate electromagnetica și interferența electromagnetica, materialele necesită o anumita magnitudine a pierderilor dielectrice sau magnetice. De exemplu, compozite cu pierderi dielectrice si magnetice, și cu conductivitate mare, care absorb energia de microunde propagată, sunt folosite deseori ca ecrane electromagnetice. Acest proces limitează propagarea câmpurilor electromagnetice dintre doua locații, prin separarea lor de o bariera făcută din material magnetic sau conductor.[44] O aplicație a ecranării electromagnetice o reprezintă un cuptor de microunde, care are un ecran în geamul sau. Alte aplicații ale ecranării RF include prevenirea accesului la datele stocate pe chipurile pentru identificare în radiofrecvența incorporate în diferite dispozitive, cum ar fi pașapoartele biometrice, care reprezinta o combinație de hârtie si identitate electronica care folosește biometrica pentru a identifica călatorii.

Un tip de material compozit cu numeroase posibilități pentru aplicații electromagnetice este microfirul. Fiecare microfir consta intr-un miez metalic si o sticla ce-l înconjoară. Dimensiunea miezului metalic e de 5 μm în diametru iar învelișul de sticla e gros de 10 μm. Corpul de baza al microfirului e compus dintr-un aliaj feromagnetic a cărei compoziție variază depinzând de metalele folosite în aliaj și de dimensiunile finale ale firului. Prin urmare, gama de microfire e foarte larga. Dar exista o calitate pe care o au toate: toate prezintă proprietăți magnetice. Chiar aceste proprietăți magnetice și mărimea lor foarte mica care le face foarte utilizate. Oricum, proprietățile electromagnetice ale compozitelor din microfire pot deasemenea diferii pentru diferite concentrații de rășină.

Înainte de a folosi în aplicații electromagnetice un material compozit cum ar fi microfirul, trebuie mai întâi să înțelegem anumite proprietăți ce aparțin materialului. Este important să se știe conductivitatea electrica a materialului, permitivitatea dielectrica, permeabilitatea magnetica, și e de folos să înțelegem comportarea sa potrivit teoriei percolației și teoriei de mediu efectiv Maxwell-Garnett si Bruggeman. Definițiile proprietăților sunt elaborate după cum urmează:

Conductivitatea electrica σ e definită ca abilitatea unui material de a conduce curent electric. Când exista o diferența de potențial de-a lungul unui conductor, sarcinile se scurg, dând naștere unui curent. Magnitudinea conductivității depinde de trei factori, și anume de numărul purtătorilor de sarcina mobila din unitatea de volum, sarcina per purtător și mobilitatea purtătorilor de sarcina.[45],[46]

Permitivitatea dielectrica ε reflecta abilitatea materialului sa fie polarizat de câmpul electric. Permitivitatea e o cantitate complexa de forma: ε* = ε’ – i ε’’. Partea reala e folosita in descrierea acestei proprietăți, în timp ce parte imaginara descrie procesele de pierdere. Partea reala (ε’) e dealtfel cunoscuta drept constanta dielectrica iar parte imaginara (ε’’) e cunoscuta ca factorul de pierderi dielectrice. Pierderile dielectrice intervin când un câmp electric alternativ e aplicat unui dielectric și o cantitate din puterea de intrare e convertita în energie calorica. Motivul e pentru ca dipolii din interiorul dielectricului nu pot răspunde efectiv câmpului, în schimb, ei simt atracția sau fricțiunea de la vecini. Factorul dielectric de pierderi (ε”/ ε’) e o considerare majora pentru utilitatea unui material dielectric în aplicații EMC/EMI. Un factor mare pentru pierderile dielectrice ar presupune o pierdere mare de putere care ar face materialul nepotrivit pentru a funcționa ca material dielectric. E o ipoteza ca permitivitatea relativa si pierderile dielectrice ale compozitului vor creste odată cu concentrație de microfire incluse.[48],[49]

Permeabilitatea magnetica μ reprezintă gradul de magnetizare a unui material care răspunde unui câmp magnetic aplicat. Permeabilitatea e o cantitate complexa în care parte imaginara reprezintă pierderile magnetice care sunt deasemenea un factor important în aplicații de ecranare sau de atenuare. Astfel, se presupune ca permeabilitatea creste odată cu concentrația de microfire incluse datorate creșterii magnetizării. [49],[50]

Teoria percolației are de-a face cu curgerea lichidelor in medii aleatoare. Dacă mediul e un set de puncte ale unei matrici regulate, atunci exista doua tipuri de percolatie. O percolație locala ce considera ventrele retelei ca fiind entități relevante; o percolatie de legatura consideră varfurile matricii entități relevante. Deoarece compozitele sunt realizate din clusteri conectați de microfire, ne așteptam ca compozitele de microfire să poată fi descrise ca sisteme de percolație.

Teoria de mediu efectiv Maxwell-Garnett si Bruggeman descrie în esență proprietățile microscopice ale unui mediu bazat pe proprietățile și fracțiile relative ale componentelor sale. Proprietățile care se iau in considerare sunt de obicei conductivitatea σ sau constanta dielectrica ε a mediului. Teoria de mediu efectiv Maxwell-Garnett si Bruggeman e considerata a fi valida pentru compozite cu microfire distribuite aleator[51].

Noutatea acestei teze se refera la realizarea de microfire feromagnetice ce pot fi utilizate în ecranarea electromagnetica.

Descrierea instalației de turnare a microfirelor metalice

“Instalația de Turnare a Microfirelor” ( figura 3.1) este destinata obținerii de materiale sub forma de microfire.

Procedeul utilizat (metoda Ulitovsky–Taylor) consta în următoarele operații tehnologice:

– câteva grame de metal sau aliaj, sub forma de bagheta ( figura 3.2) sunt plasate într-un tub de sticla și sunt introduse în câmpul inductorului cu înalta frecventa (figura 3.3);

– sub influența câmpului electromagnetic metalul se topește și formează o picătura de metal;

– o parte din tubul de sticla, în contact cu metalul topit, se înmoaie și din sticla se formează un înveliș (manta), ce acoperă picătura;

– din sticla înmuiata se trage fibra de sticla, care se bobinează pe o bobina din mecanismul de recepție a microfirului;

– în anumite regimuri în timp ce se trage fibra de sticla, apar condiții de antrenare a metalului în interiorul fibrei de sticla.

În așa fel se formează microfirul ce este format din miez de metal (un cilindru subțire din metal, aliaj, semimetal, semiconductor sau alte combinații ale acestora) și izolație continua din sticla.

Pentru îmbunătățirea calității microfirului și rezolvarea unor probleme tehnologice în intervalul de la inductor la bobina de recepție, microfirul trece printr-un jet de lichid pentru răcirea lui (apa sau ulei).

Instalația este prevăzuta pentru obținerea microfirului în condiții industriale sau de laborator cu diametrul miezului de metal de la 1 la 50 μm si grosimea izolației de sticla de la 1 la 20 μm. Instalația permite să se obtină microfire de lungime de pana la 1 km.

Microfirele pot fi fabricate dintr-un șir de metale pure (cupru, aur, argint, platina cobalt, nichel și altele), semiconductoare (siliciu, germaniu) și aliaje pe baza metalelor, semimetalelor si semiconductoarelor denumite mai sus (în cantități limitate pot fi folosite și alte elementele chimice: bor, carbon, fosfor, crom, wolfram, molibden, indiu, galiu, etc.).

Vitezele rapide de răcire, asigurate de procesul de turnare a microfirului, permit să se obțină diferite structuri al miezului de metal – policristaline cu dimensiuni diferite ale cristalelor (microcristaline, nanocristaline), amorfe, amestecul stărilor amorfe cu cristaline.

Pentru a obține microfirul la anumite dimensiuni geometrice (lungimea, diametrul metalic interior, grosimea izolației de sticla), și structuri necesare ale miezului de metal (structura mono- sau policristalina; microcristalina, nanocristalina, amorfa sau combinații ale acestora), în timpul procesului de turnare ”Instalația de Тurnare a Microfirului” asigura instalarea și menținerea următoarelor regimuri tehnologice:

temperatura si dimensiunea picăturii;

viteza de coborare a tubului de sticla;

viteza de coborare a tijei de aliaj;

viteza de recepție a microfirului;

viteza de răcire a microfirului;

poziția jetului lichidului de răcire.

Procedura de introducere a aliajului în tubul de sticla este specifica si importanta în procesul de turnare a microfirului.

Operatorul introduce aliajul în tubul de sticla prin partea inferioara a inductorului, astfel încât metalul încălzit și topit să atingă pereții tubului de sticla (a se vedea figura 5). În același timp se răsucește tubul de sticla în jurul axului sau se adaugă metal, până când tot interiorul tubului va fi umplut cu aliaj.

Figura. 3.4 Aspect din timpul operației de topire si obținere a microfirului

Daca suprafața secțiunii sticlei nu este umpluta cu aliaj, încep sa se desfășoare procesele de oxidare și ardere a unor componente din aliaj. Luând în considerație aceasta, operatorul trebuie cat mai repede sa închidă toata secțiunea de sticla cu aliaj. Câmpul electric, care este generat în inductor, ridica picătura la o anumita distantă, distantă la care câmpul electromagnetic este echilibrat de câmpul gravitațional. Operatorul ajustează cu ajutorul presiunii în tubul din sticla poziția picăturii deasupra inductorului și temperatura ei.

La introducerea aliajului, tubul de sticla trebuie sa fie situat la o distanta minima de inductor, pentru ca picătura formată să fie situata la o distanta de aproximativ 1 mm de la marginea sticlei. Acest lucru este necesar pentru ca sticla care se înmoaie de la metalul topit sa acopere tot metalul introdus în ea. Altfel sticla, care se afla mai jos de aceasta limita, rămane în stare solida și ca urmare împiedica preluarea surplusurilor de sticla prin inductor. După ce a fost introdus aliajul în tub, este necesar să se formeze cat mai repede învelișul din sticla, ce împiedica oxidarea intensa a aliajului topit. Operatorul cu ajutorul unui alt tub de sticla (cu un diametru mult mai mic, de preferința ca aceasta sticla sa fie de cuarț) agată sticla și cu mișcări lente se acoperă toata suprafața de metal cu sticla. Apoi, când picătura este acoperita în întregime cu sticla înmuiata, agățam sticla ce s-a format în partea de jos a picăturii și prin mișcări circulare tragem surplusurile de sticla. În timpul acestui proces apare riscul ca picătura sa cada. De aceea, în procesul de formare a picăturii, operatorul trebuie sa accelereze alimentarea cu sticla în zona inductorului.

Pe tot parcursul procesului de curățare a picăturii operatorul reglează manual alimentarea cu tubul de sticla, pentru a preveni oxidarea intensa și arderea aliajului.

Daca picătura este prea voluminoasa, atunci trebuie ca ea sa fie micșorata. Pentru aceasta operatorul agață sticla în partea de jos cu ajutorul altui tub de sticla (de cuarț) și cu o mișcare brusca în jos detașează o porțiune mica de aliaj din picătura. După ce picătura s-a format, firul trebuie agățat de bobina sistemului de bobinare.

Pentru testările preliminare s-a ales un material feromagnetic, din sistemul ternar Fe-Si-B. Microfirul va fi format dintr-un miez de metal (un cilindru subțire din aliaj) si izolația continua din sticla.

Vitezele rapide de răcire, asigurate de procesul de turnare al microfirului, permit sa se obțină diferite structuri al miezului de metal – policristaline cu dimensiuni diferite ale cristalelor (microcristaline, nano-cristaline), amorfe, amestecul stărilor amorfe cu cristaline. S-au realizat in cadrul institutului pana in prezent microfire cu proprietăți magnetice din aliaje pe baza de Fe-B-Si si microfire din Cu (v. figura 3.5), acestea fire datorita izolației de sticla oferă o rigiditate dielectrica ridicata si posibilitate de manipulare intr-o gama larga de temperaturi -80 º pana la 250 º C.

3.1.2 Ecrane compozite cu adaos de Cu si Carbon

Ca si grafitul, fibra de carbon are la baza o structura atomica plană cu legaturi foarte puternice între atomii de carbon, covalente. În cazul grafitului, planurile sunt paralele, legaturile dintre ele fiind de tip Van der Walls ce pot fi ușor rupte. În locul straturilor plane de atomi din carbon, care se gasesc în grafit, fibra de carbon este formata din panglici de atomi de carbon, spiralate, aliniate paralel cu axa fibrei.

Figura 3.6 Structura fibra carbon [28]

Producerea Fibrei de Carbon

Pentru obtinerea fibrei de carbon, se folosesc o varietate mare de materiale, numite precursoare. Acestea sunt filate in filamente subtiri care sunt apoi convertite in fibra de carbon in 4 etape:

stabilizarea (oxidarea)

carbonizare

grafitizare

tratamentul suprafetei

Figura.3.7 Etapele fibrei de carbon

Fibrele continue sunt apoi bobinate și comercializate pentru tesere sau pentru alte procedee de obținere a structurilor din fibra de carbon (filament winding, pultrusion). Astazi, materialul precursor predominant în fabricarea fibrelor de carbon este poliacrilonitrilul (PAN). Fibra de carbon astfel obtinuta are un diametru de 5 -10 μm.

Clasificarea Fibrelor de Carbon

In functie de proprietatile mecanice ale fibrelor de carbon, acestea pot fi clasificate in:

Fibre de Carbon High Modulus (HM sau Tipul I) – fibre cu modul de elasticitate mare

Fibre de Carbon High Strength (HS sau Tipul II) – fibre cu rezistenta la tractiune ridicata

Fibre de Carbon Intermediate Modulus (IM sau tipul III)

Flux tehnologic de obtinerea ecranelor electromagnetice pe baza de Cu si fibra de carbon

Pentru ecrane se folosesc toate materialele care prezinta, pentru fluxul unui anumit tip de

câmp, o conductivitate suficient de mare sau care sunt în stare să creeze câmpuri de reactie prin

influența sau inducție. Cel mai des se utilizeaza ecrane din materiale neferoase și din materiale

feromagnetice.

Materialele metalice ocupa un rol important în numeroase aplicatii, sub forma de metale sau aliaje, datorită proprietatilor speciale pe care le poseda. Deși numărul metalelor este relativ mare, sunt totuși insuficiente pentru a satisface prin proprietățile lor individuale nevoile tehnicii moderne.

Cuprul este unul dintre primele 25 cele mai abundete elemente din scoarța terestră. Cuprul metalic a jucat un rol important în dezvoltarea tehnologică, industrială și culturală a umanității.

Cuprul este unul dintre puținele metale pentru care în aplicațiile comerciale se utilizează o cantitate mai mare de metal pur decât de aliaj. Cele mai importante utilizări ale cuprului vizează domeniile construcțiilor (piese de acoperiș, rigole), instalațiilor sanitare (valve, racorduri), produse electrice și electronice (fire, motoare, generatoare, transformatoare, cabluri telefonice etc.), echipamente industriale, transporturi (compresoare, radiatoare, pompe etc.), dispozitive casnice (frigidere, mașini de spălat, aparate de aer condiționat etc.) și alte produse precum vase de gătit, bijuterii, obiecte de artă etc. În plus, cuprul intră în compoziția aliajelor folosite la confecționarea monezilor.

De-a lungul timpului au fost studiate peste 1000 aliaje de cupru, fiecare prezentând proprietăți ușor diferite de cele ale cuprului metalic pur. Alierea cu alte metale determină modificarea culorii și îmbunătățirea performanțelor în ceea ce privește durabilitatea în timp, rezistența la coroziune și la uzură și prelucrabilitatea.

În funcție de semnul susceptivității magnetice, materialele magnetice cu magnetizație temporară și fără magnetizație spontană se clasifică în: Materiale diamagnetice, cum sunt Au, Ag, Cu. Susceptivitatea magnetică a acestor materiale este negativă, de valori foarte mici (fig. 3.8) și independentă de temperatură și presiune. Introduse în câmp magnetic, aceste materiale au tendința de deplasare spre regiunile în care intensitatea câmpului este mai redusă, pentru că µr<1. Câmpul magnetic exterior modifică mișcarea electronilor, suprapunând peste mișcarea orbitală o mișcare de precesie, generând un moment magnetic indus, care se opune câmpului magnetic inductor, micșorându-l.

Figura 3.8 Dependența susceptivității diamagnetice de intensitatea câmpului magnetic

In cadrul laboratorului de compatibilitate electromagnética din cadrul INCDIE ICPE-CA am realizat 5 ecrane electromagntice avand la baza urmatoarele configuratii:

In prima proba au fost adaugate urmatoarele materiale:

150g rasina epoxy

0,75 pulbere de Cu (reprezantand 0.5% din compozitia ecranului)

12 g intaritor

In doua proba au adaugate urmatoarele materiale:

150g rasina epoxy

3g pulbere de Cu (reprezantand 2% din compozitia ecranului)

12g intaritor

In a treia proba au fost adaugate urmatoarele materiale:

150g rasina epoxy

6g pulbere de Cu (reprezantand 4% din compozitia ecranului)

12g intaritor

In a patra proba au fost adaugate urmatoarele materiale:

150g rasina epoxy

12 pulbere de Cu (reprezantand 8% din compozitia ecranului)

12 g intaritor

In a cinciea proba au fost adaugate urmatoarele materiale:

150g rasina epoxy

15g pulbere de Cu (reprezantand 10% din compozitia ecranului)

12g intaritor

In figurile de mai jos este prezentata schema fluxului tehnologic pentru fiecare configuratie in parte.

3.1.3 Ecrane compozite cu adaos de Fe, Ni si Carbon

Model de ecran compozit

Materialele compozite magnetice moi sunt caracterizate și clasificate după factorul de umplere Kf, care se definește ca raportul dintre volumul ocupat de pulberea feromagnetică Vf și volumul total al compozitului, adică:

unde Vd este volumul ocupat de dielectric, iar Vp este volumul porilor.

Materialele compozite magnetice moi pot fi împărțite după factorul de umplere în:

dielectromagneti : Kf> 0,8

magnetodielectrici: Kf< 0,7

materiale intermediare: Kf = 0,7 ÷ 0,8

În dielectromagneți predomină caracteristicile magnetice, iar în magnetodielectrici predomină caracteristicile dielectrice. O ilustrare a structurii celor două clase principale de materiale compozite magnetice moi este prezentată în figura de mai jos.

Figura 3.14 Reprezentare schematica a materialelor compozite moi unidielectrice:

Magnetodielectric, b – magnetodielectric; 1- particular de pulbere de fier; dielectric;

Figura 3.15 Reprezentarea schematica a structurii unui dielectromagnet bidielectric:

1 – particula de pulbere de Fe; 2 – dielectric I; 3 – dielectric – II ;

Datorită izolării electrice a particulelor de pulbere rezistivitatea electrică a materialulul compozit crește cu 2-4 ordine de mărime față de rezistivitatea electrică a materialului similar compact, ceea ce are ca efect o scădere în același raport a pierderilor prin curenți turbionari. În general aceste materiale au proprietăți magnetice (magnetizatie la saturatie și permeabilitate) mai scăzute decât ale materialelor magnetice moi sinterizate, dar rezistivitatea lor foarte ridicată le face utilizabile în aplicații la frecvențe medii și înalte

Proprietățile compozitelor (dielectric-magnetic) depind de dimensiunea particulei de pulbere utilizată și de cantitatea și tipul dielectricului. Pentru a atinge proprietăți magnetice înalte trebuie utilizate particule de pulbere cu dimensiunea 150-600 m.

Pentru aplicațiile la frecvențe înalte trebuie utilizatã pulbere fină cum ar fi pulberea de fier carbonyl. Particulele de pulbere trebuie sã fie sferice sau granulare cu posibilitatea reducerii porozității deschise, ceea ce asigură o izolare bună a particulelor cu o cantitate mică de dielectric.

In practica este folosit predominant rășina epoxidică, care prezintă adeziune buna la majoritatea materialelor umetand foarte bine particulele. Uneori materialele compozite (dielectric-magnetic) trebuie tratate termic în domeniul de la 850 la 1060K, pentru reducerea tensiunilor generate pe durata compactării. Într-un astfel de caz, proprietățile compozitelor anorganici cum sunt fosfații, oxizii, dioxizii siliciului, sticla pot fi de asemenea utilizați.

Parametrii de procesare, cât și proprietățile și structura pulberii feromagnetice utilizate influențează toate proprietățile compozitelor. Proprietățile magnetice ale acestora pot fi schimbate prin utilizarea particulelor de pulbere cu formă diferitã. Se pot utiliza particule cu anizotropie magnétică pentru predeterminarea proprietatilor fructificand anizotropia de forma.

Am realizat trei ecrane electromagnetice din material compozit avand matrice polimerica (PMC). În aceasta etapa am incercat imbinarea a doua materiale composite diferite armate atat cu particule cât și cu fibre

In prima proba (fig.3.18) au fost adaugate urmatoarele material:

150g silicon

10,5 pulbere de Ni

10,5g pulbere de Fe

12 g intaritor

Material plasa carbon

In doua proba (fig 3.16) au fost adaugate urmatoarele materiale:

150g silicon

10,5g pulbere de Fe

12g intaritor

In a treia proba (fig. 3.17) au fost adaugate urmatoarele materiale:

150g silicon

10,5 pulbere de Ni

12g intaritor

In etapa aceasta de cercetare au fost realizate trei ecrane electromagnetice din material composite avand matrice polimerica (PMC). In aceasta etapa am incercat imbinarea a doua materiale composite diferite armate atat cu particule cat si cu fibre

Materialele utilizate in acest experiment au fost:

Pulbere de Fe

Pulbere de Ni

Pulbere de Fe, Ni si plasa de carbon

Figura.3.18 Ecran electromagnetic 3

Materialele compozite magnetice moi sunt produse prin metalurgia pulberilor din pulberi feromagnetice moi presate împreună cu un liant dielectric organic sau anorganic, mono sau muticomponent. Ca și pulbere feromagnetică am utilizat pulberea de Fe, Ni iar ca și liant dielectric am utilizat un silicon

Figura.3.19 Flux tehnologic

3.1.4 Metode de fabricare a pulberilor

Pulberile metalice sunt în general produse pure, gradul de puritate, mărimea și forma particulelor fiind determinate de metoda de fabricatie.

Metodele de fabricatie trebuie să fie simple astfel compoziția chimică, granulația, densitatea aparentă, compresabilitatea și viteza de curgere să poată fi ușor menținute în anumite limite. Deoarece majoritatea metalelor nu sunt fragile pentru a putea fi aduse în stare de pulbere prin sfaramare și macinare, pentru obținerea pulberilor metalice sunt necesare metode speciale. Cele mai uzuale metode de fabricare a pulberilor metalice sunt:

Prin atomizare

Electrolitica

Prin reducerea oxizilor

Mecanica

Hidrometalurgica

Prin piroliza

Figura 3.20 Schema instalatiei de fabricare a pulberilor

Pulberile reprezintă o stare avansată de divizare a materialelor, cu particule neconsolidate,  discrete, de dimensiuni submilimetrice, caracterizate printr-o crestere enormă a ariei suprafetei specifice.

            Aria suprafetei specifice a unui material constituit din particule de dimensiune d, reprezintă suma suprafetelor particulelor din unitatea de volum (suprafata specifica Sv) sau din unitatea de masa (suprafata specifica Sm).  Relatia între dimensiunea particulelor  și  aria suprafetei specifice a materialului este :

sau    (3.2)

– reprezinta suprafata exterioara a unei particule, iar nv si  nm numarul de particule al caror volum însumat este egal cu unitatea sau a caror masa însumata este egala cu unitatea. Se demonstrează ușor că în cazul particulelor de forma geometrica regulata (sferica sau cubica) suprafata specifica este independenta de forma particulei  si  este data de relatia:

respectiv (3.3)

Pentru particule de forma neregulată, deviația de la forma sferica sau cubică este luata în considerație prin introducerea unui factor de formă supraunitar, asa încât expresia suprafetei specifice devine:

respectiv (3.4)

Întrucât factorul de formă crește  cu cât se accentuează neregularitatea formei particulelor de pulbere, rezultă că suprafața specifică a unui material pulverulent este cu atât mai mare cu cât dimensiunea particulelor este mai mică și  forma lor mai neregulată.

Dimensiunea particulelor este exprimata prin diametrul d, daca particulele sunt echidimensionale  sau prin diametrul echivalent de, pentru particulele de formă neregulata.  Diametrul echivalent se definește ca diametrul sferei cu acela și  raport suprafata/volum ca și particula data de forma neregulata, deci :

(3.5)

Determinarea dimensiunii particulelor din material pulverulent se efecteaza prin metode adecvate marimii acestora. Pariculele grosiere pot fi masurate prin cernare prin site standardizate, în gama de dimensiuni pâna la 38mm. Particulele sub aceasta dimensiune pot fi masurate microscopic sau prin măsurarea vitezei de sedimentare, conform ecutiei Stokes

(3.6)

unde r este raza particulei în suspensie; r1 si  r2 – densitatea particulei, respectiv a mediului; h – vâscozitatea mediului; g – acceleratia gravitationala.

În general pulberea obtinută printr-o anumită metodă nu are particulele riguros  de aceeași dimensiune, ci prezintă o varietate de dimensiuni.  Caracterizarea optima a pulberii din punct de vedere dimensional este facută în acest caz prin analiza granulometrica. Un exemplu de astfel de analiza este prezentat în figura 3.21  Pentru o pulbere constituita dintr-un amestec de particule de diverse dimensiuni, suprafata specifica se determina ca medie ponderata a suprafetei specifice a diverselor fractii granulometrice.

Figura 3.21  Histograme ale distributiei granulometrice

  a – material cu gama larga de dimensiuni ale particulelor;

b – material cu gama îngusta de dimensiuni ale pariculelor

Rolul suprafeței specifice în determinarea comportării pulberilor rezultă din natura fizica speciala a suprafețelor libere. Terminarea brusca a rețelei cristaline conduce la un aranjament deosebit al atomilor din stratul superficial, care cu orbitalele lor numai pe jumatate completate, tind sa atragă alti electroni.  Aceasta conduce la o reactivitate mărita a suprafeței și sta la baza unor fenomene ca adsorbtia, cataliza, coroziunea, oxidarea, germinarea și  creșterea cristalelor. De asemenea terminarea brusca a rețelei cristaline conduce la formarea a numeroase imperfecțiuni structurale. Aceste imperfectiuni de pe suprafata libera a particulelor sunt consecința devierii atomilor din pozițiile lor ideale ale rețelei cristaline, creindu-se astfel dislocatii, defecte de împachetare, muchii, trepte, intrânduri s.a. , figura 3.2.  La ridicarea temperaturii un numar din ce în ce mai mare de atomi parasesc suprafața accentuând rugozitatea acesteia.  În acest mod se creeaza chiar pe suprafetele presupuse plane, trepte a caror adâncime este de ordinul zecilor sau chiar sutelor de diametre atomice. Aspectul rugos al suprafețelor libere, caracterizat prin prezența defectelor superficiale  și  starea de nesaturare electronica a atomilor din stratul superficial sunt cauzele reactivitatii marite, care conditioneaza interacțiunile dintre suprafețele libere din materialele pulverulente și substantele gazoase sau lichide cu care vin în contact sau chiar interactiunile între particulele solide din pulbere.

Figura 3.22    Modelul imperfectiunilor de pe suprafata libera a unui cristal

3.1.5 Descrierea procesului tehnologic de obținere a ecranelor electromagnetice cu pulbere metalică ca material de ecranare

Pentru obținerea modelului experimental de ecran electromagnetic pentru gama de frecvențe 0,9 – 4 GHz au fost luate în calcul următoarele aspecte:

alegerea materialului de bază (pulberea magnetică) care să asigure proprietățile de protecție contra radiațiilor electromagnetice a produsului final și,în același timp, să constituie o soluție avantajoasă din punct de vedere economic;

alegerea liantului utilizat pentru lierea pulberii magnetice, liant care să asigure performanțele magnetice și electrice ale produsului final, dar și proprietățile lui mecanice;

stabilirea condițiilor de procesare (granulație, caracteristici de curgere a pulberilor, presiune de compactare, timp și temperatura de reticularizare liant) a amestecului realizat din pulberea magnetică amestecată cu rășină de liere și întăritor.

Obținerea pulberilor de Fe, Ni si Cu pirită a avut loc după o tehnologie de laborator care implică mai multe etape, după cum urmează: măcinarea metalelor aflate în stare pură, folosind pentru aceasta moara planetară cu 2 posturi de lucru de tip Retsch PM 400, în acestea au fost mai întâi trecute prin eter de petrol și folosind bile metalice, măcinate la o viteză de 120 rpm timp de 3 ore.

Următoarea etapă a constat în granularea pulberii metalice obținute, cu ajutorul vibratorului mecanic cu site, prin această etapă obținându-se șase grupe de granulații: 0 – 36 μm, 36 – 40 μm, 40 – 50 μm, 50 – 80 μm, 80 – 125 μm, 125 – 160 μm și folosite in teza doar granulatia cuprinsa intre 0 – 36 μm.

Metodologia de lucru pentru obținerea ecranelor electromagnetice pe bază de pulberi metalice a constat din mai multe etape, care au implicat calculul gramajelor, atât a rășinii și întăritorului, cât și a pulberii metalice pentru concentrația dorită, aceasta urmând a fi amestecată, în primă fază cu rășina și introdusă în baia ultrasonică timp de 5 min, la o temperatură de aproximativ 70oC, făcându-se în același timp și agitare mecanică. Amestecul a fost agitat în continuare numai mecanic cu ajutorul agitatorului timp de încă 10 min. În ultima fază s-a adăugat și întăritorul, amestecându-se totul ultrasonic și mecanic încă 8 min. Materialul compozit s-a turnat într-o formă pentru plachetare, lasându-se la uscat timp de 12 h.

Rezultatul final a fost obținerea unei game largi de ecrane elctromagnetice cu scopul protecției împotriva radiațiilor electromagnetice emise de diferite dispozitive și aparate electronice.

3.2 Tehnici de măsurare a atenuării radiațiilor electromagnetice

In continuare va voi prezenta cele mai uzuale tehnici de masurare a atenuarii ce se bazează pe standardul MIL-STD-285

Prezenta teoria a ecranarii se bazeaza pe relațiile originale ale lui Schelkunoff pentru un cazul unui plan infint [5] in spatiul liber in zona regiunilor undelor, mai tarziu Schulz, Plantz si Brush au dezvoltat si discutat aceasta teorie in mai multe cazuri practice.

Figura 3.23 Mecanismulconceptionalpentrudeterminarea SE

Eficacitatea ecranării (SE) a fost definit ca raportul dintre unda incidenta Ei și unda transmisă Et [43-49]

(3.7) pentru câmpuri electrice

……..(3.8) pentru câmpuri magnetice

(3.9) pentru puterea electromagnetică

Asa cum reise din figura 3.23 exista mai multe mecanisme care contribuie la atenuarea campului incident pe masura ce trece de ecran.

Metoda ASTM ES7-83

Metoda descrisa in standardul ASTM ES7-83 este bazată pe o linie de transmisie coaxiala cu un conductor continnuu (figura 3.24)

Figura 3.24 Celula ASTM ES7 siproba in forma de saiba

Holderul trebuie desfacut pentru a permite insertia probelor avand forma de saibe (fig3.24).Atunci când este asamblat atat conducctorul interior cât și cel interior formeaza un conector comun. Celula TEM este proiectată să permita propagarea doar daca se afla in gama de frecventa 1MHz si 1.8GHz. Frecvențele joase sunt limitate de catre echipament [50] La frecvențe mai mari decat limita superioara, moduri superioare incep sa se propage în celula iar secțiunile conice vor reflecta modurile. In modul TEM câmpul este perturbat de reflexii, facand ca masuratorile sa fie greu de atins [51]. Pentru a evita aparitia modurilor de ordin superior, frecvența superioară nu trebuie sa depașească frecvența de cut-off pentru modul TEM11[51]

……..3.10

c – este viteza luminii

D – este diametrul conductorului exterior

d – este diametrul conductorului interior

De-a lungul anilor metoda a suferit mai multe imbunatațiri și ultimul model prezintă o rezistența de contact și o gama de frecvența de la 0 GHz pana la aproximativ 5GHz [52],[53]

Măsuratorile pot fi efectuate utilizând o sursa de semnal și un receptor cum ar fi un osciloscop sau un analizor de spectru, sau chiar un analizor vectorial. Eficacitatea ecranării este dată de raportul dintre nivelul semnalului măsurat în lipsa probei și nivelul semnalului masurat în prezența probei aflat amplasat în interiorul celulei în conformitate cu ecuatiile (1-3). Daca valorile inregistrate sunt volți, atunci raportul poate în concordanța cu ecuația de mai jos

……..(3.11)

Ui – tensiunea măsurata în absența probei

Ut – tensiunea măsurata în prezența probei

Metode folosind antene sau sonde de camp electrice / magnetice

Standardul militar MIL-STD-285 a fost dezvoltat în Statele Unite ale Americii în scopuri militare și acoperă măsurători de atenuare pentru incinte protejate în gama de frecvența cuprinsă intre 100kHz-10 GHz. Pentru testarea materialelor, o versiune modificată a metodei descrise în standardul MIL-STD285 este utilizată.Această metodă modificată folosește o incintă ecranată corect având o fereastra deschisa ceea ce implică iradierea unei probe plate, montate pe fereastra, deschisa cu unde electromagnetice peste interesul gamei de frecvente. Două măsurări trebuie efectuate pentru evauarea eficacitatii de ecranare si anume:o măsuratoare de referință și una în sarcina. Măsurarea efecinței constă în măsurarea semnalului de încercare emis de antena de emisie fără probă având deschisa fereastra incintei ecranate.

Măsurarea sarcinii este luată prin transmiterea semnalului de încercare prin
fereastra avand amplasata proba. În timpul măsurătorilor, antenelor vor fi păstrate în aceeasi pozitie.[51],[55],[56]. Probele trebuie să fie suficient de mari pentru a acoperii fereastra și montate în mod corespunzător prin folosirea unei garnituri electromagnetice pentru a evita pierderile de semnal între probe si perete. Eficacitatea de ecranare este determinată de ecuatiile
(3.7-3.9), conform datelor înregistrate.

Standardul MIL-STD-285 a fost înlocuit cu standardul IEEE-STD-299, ce descrie metodele de măsurare a eficienței de ecranare a incintelor având o dimensiune de minimum 2m în domeniul de frecvențe între 50Hz si 100GHz. Această gamă de frecvențe este împărtita în trei sub-game pentru măsurare atenuării câmpului magnetic (50 Hz-20 MHz), câmpului electric (20 MHz-300 MHz), și undelor plane (300 MHz-100 GHz). Pentru fiecare sub-domeniu, vor fi utilizate antene adecvate (bucle magnetice, dipole, antene log-periodice, horn antene, etc.).

Având în vedere faptul că aceste standard nu sunt destinate pentru evaluarea individuala a proprietăților materialului de ecranare, și există diverse adaptări ale acestei metode ce au fost elaborate pentru evaluarea eficacitătii de ecranare a materialelor.

În acest caz, antena de transmisie și camera ecranată având antenă montată în interiorul acesteia se afla în interiorul unei camera anechoice. Generatorul de semnal și analizorul de spectru sunt plasate în afara camerei anechoice și conectate la transmiterea și primirea semnalelor folosind cabluri coaxiale.[56][57] Un test similar de configurare prezintă o adaptare, care folosește o legătură cu fibre optice între dispozitivele externe și antena plasată în interiorul camerei ecranate pentru a elimina unele fenomene de rezonanță

Masuratori pentru eficacitate aecranarii in camp apropiat

Metoda de măsurare în câmp apropiat privind eficacitatea de ecranare magnetic a unui probe utilizând două antene mici sub forma de buclă plasată coaxial pe fiecare parte a
probei, asa cum se arată în figura 3.25

3.3 Caracterizarea ecranelor si rezultate obtinute

Metoda de măsura a eficacitații ecranării

Figura 3.25 Schema de principiu a metodei folosite pentru determinarea eficacitatii ecranarii (SE

Semnalul emis de un generator este transmis prin intermediul unei antene de emisie spre proba, iar semnalul ce trece prin proba este recepționat de catre antena de recepție și măsurat cu ajutorul unui receptor (analizor de spectru, osciloscop, etc)

Pentru determinarea SE semnalul transmis de antena de emisie se măsoară în două situații:

Fara proba între antena de emisie și antena de receptie;

Cu proba plasată intre cele doua antene

SE se calculeaza folosind relatia SE=10lg unde Pin este nivelul de semnal măsurat în absența probei iar Ptr este cu proba plasată între antene.

Pentru minimalizarea efectelor de difracție pe muchiile probelor, măsuratorile au fost efectuate în camera anechoica din cadrul laboratorului de compatibilitate electromagnetică INCDIE ICPE-CA.

3.3.1 Caracterizarea ecranelor cu microfir

S-au studiat condițiile de obținere a compozitelor armate cu microfire feromagnetice pentru aplicații in ecranarea electromagnetic.

Masuratorile magnetice au fost realizate cu ajutorul magnetometrului cu probă vibrantă Lake Shore 7300

Din figurile 3.26-3,29 se observă ca probele prezintă anizotropie magnetocristalină, ceea ce conduce la ideea ca structura a devenit cristalina.

Tratamentele termice au fost efectuate în scopul de a imbunatații proprietațile magnetice, a dus la creșterea inductiei de saturatie, ceea ce noi considerăm că va infuența pozitiv în creșterea absorbției electromagnetice.

Determinarea permeabilitatii

Masuratorile au fost efectuate cu ajutorul analizorului de impedanța 4294A (40Hz-110MHz), au fost determinate permeabilitatea magnetică, tangenta unghiului de pierderi și impedanța electrica

Proba având urmatoarele dimensiuni: diametru exterior 8m, diametru interior 3,2mm, inaltimea 2mm.

In figura de mai sus observam ca permeabilitatea magnetica prezintă o valoare descrescatoare, permeabilitatea magnetică fiind o caracteristică de baza a metrialelor cu proprietați magnetice . Permeabilitatea relativă are la baza doua componente: componenta reală și cea imaginara. Partea reala prezinta caracteristica materialului iar cea imaginara prezinta pierderile prin inductie. Pierderile dielectrice (tangenta) arata pierderile prin caldura

Au fost elaborate o șarja de microfire pe baza de Fe69.34B1,29Si3.34 au fost caracterizate din punct de vedere electric și magnetic. Microfirele au fost supuse unor tratamente termice de recristalizare.

Masuratorile magnetice prezintă o anizotropie magnetocristalină, în concordanța cu tratamentul termic.

Din experimentarile electrice, se poate observa că pierderile dielectrice se datoreaza exclusiv curenților Focault

In cadrul INCDIE au fost dezvoltate trei modele de ecrane electromagnetice pe baza de microfir (FeBSi) în scopul fabricării pentru diverse aplicații din industria militara și nu numai.

In figurile 3.35, 3.36, 3.37 se poate observa structura fiecarui ecran astfel:

Aceste modele au fost caracterizate in gama de frecventa 0.9-4GHz folosind antene horn pentru transmiterea și receptionarea semnalului, generator de semnal și analizor de spectru, caracterizarile au fost efectuate în camera anechoca din cadrul INCDIE ICPE-CA

Mai jos avem regasite partea teoretica pentru doua probe, cunoscând formula și distanța intre cele doua puncte

Calculul pentru masurarea eficacitatii ecranarii teroetice este urmatorul:

(3.12)

g reprezintă distanța dintre doua microfire în cazul nostru

λ – fiind lungimea de unda

Familia de ecrane electromagnetice și anume: materiale textile, microfire, plasa de sarma, structura de forma figure (honeycomb) descrie un ghid de unda mai jos de frecvența de taiere cat și de eficacitatea ecranării datorita pierderii de reflexie ca urmare a absorbției

Ecuatia 3.12 poate fi exprimată atât în sistemul englezesc cât și în cel SI, cum frecvența continuua să scadă iar eficacitatea de ecranare nu se ridica la mai mult de20 dB pentru condițiile câmpului indepartat.

Măsuratorile indica un pic maximum de 110dB pentru ecranele de cupru și aluminiu cât și o creștere de pana la 140dB pentru tabla galvanizată. Pentru a sprijinii aceasta teorie, ecranul constituit din plasă va devenii parte din lungimea de unda

3.3.2 Caracterizarea ecranelor cu adaos de Cu si Carbon si rezultate

Experimentările realizate pentru cele 5 ecrane electromagntice au fost efectuate în camera anechoica din cadrul INCDIE ICPE-CA în domeniul de frecvențe 900MHz-4GHz utilizand 2 antene horn dispuse la o distanța de 60 cm una de cealaltă, un analizor vectorial, generator de semnal și amplificator de semnal

Au fost realizate și testat materiale compozite pe bază de pulberi de Cu, înglobate în rașina epoxidica. Incercarile au fost efectuate în cadrul laboratorului de compatibilitate electromagnetică din INCDIE ICPE-CA. Tehnica de obținere a materialelor prezintă costuri reduse. Materialele au fost supuse măsurătorii în gama de frecvența 900MHz – 4GHz.

Dintre cele 5 ecrane de Cu, ecranul nr. 5 (fig.3.52) prezinta cea mai buna atenuare (aproximativ 2dB) in gama 900MHZ-4GHz. Celelalte (3.48-3.51) prezinta atenuare mult mai mica datorita utilizarii a unei cantitati de pulbere de Cupru reduse..

În cazul utilizării ecranelor de Cu în contact cu fibra de carbon, atenuare ridicată de aproximativ 50dBm vom avea în jurul frecvenței de 3.5Ghz la ecranul numarul 5 (fig.3.58).

Prin urmare, pentru obținerea unei atenuari mai pronunțate, se recomandă utilizarea a unei cantitati mai mari de pulbere de Cu.

3.3.3 Caracterizarea ecranelor cu adaos de Fe, Ni si Carbon si rezultate

Experimentarile au fost efectuate in camera anechoica in domeniul de frecventea 900MHz-4GHz utilizand 2 antene horn dispuse la o distanta de 60 cm una de cealalta, un analizor vectorial, așa cum se poate observa în figurile 3.59-3.62

Din spectre se poate observa creșterea atenuări la frecvența de 2GHz cu aproximativ 5 dBm (fig.3.63), aceasta se datorează utilizării adausului plasei de carbon în contact cu pulberea de Fe-Ni. Proba utilizând canalele de continuitate date de grila de carbon

In figurile 3.64 respectiv 3.65 (proba 2, proba 3) atenuarea nu este prezenta in totalitate .

Măsuratorile au fost testate pe materiale compozite pe baza de pulberi de Fe, Ni înglobate în matrice polimerica. Încercarile au fost efectuate în cadrul laboratorului de compatibilitate electromagnetica din INCDIE ICPE-CA. Tehnica de obținere a materialelor prezintă costuri reduse. Materialele au fost supuse măsuratorii în gama de frecvența 900MHz – 4GHz

Dintre cele 3 ecrane, ecranul nr. 1 prezinta cea mai buna atenuare (aproximativ 10dB) in gama 900MHZ-4GHz. Celelalte doua probe (2 si 3) nu prezinta atenuare ceea ce indică că atenuarea primei probe se datorează plasei de carbon. Prin urmare, pentru obținerea unei atenuari mai pronunțate, se recomandă utilizarea unei cantități mai mari de pulbere de Fe si Ni.

Materialele compozite realizate din matrice polimerică va produce un impact ridicat pe piata datorita costurilor din ce in ce mai scazute cat si datorită diversificării materialelor.

Capitolul IV

CONCLUZII GENERALE, CONTRIBUȚII ORIGINALE ȘI DISEMINAREA REZULTATELOR

4.1. Concluzii generale

Lucrarea de doctorat cu titlul „Experimentări privind realizarea de materiale compozite pentru utilizarea in ecranarea electromagnetică“ conține un studiu bibliografic și experimentari pentru obținerea de noi materiale compozite pentru utlizarea in ecranarea electromagnetică

Obiectivul principal al acestei teze a fost realizarea si caracterizarea de noi materiale inteligente sub formă de noi materiale compozite pe bază de microfire, pulberi de diferite granulații și concentrații utilizabile în sistemele de protecție la radiația electromagnetică.

Obiectivul principal este o prioritate la nivel internațional și național având în vedere explozia de aplicații care se bazează pe proprietățile radiației electromagnetice.

Principalele activități desfășurate pentru realizarea obiectivului principal al tezei au fost următoarele:

elaborarea microfire metalice

elaborare de pulberi feromagnetice și/sau conductive de diferite concentrații și granulații;

caracterizări ale pulberilor metalice, prin următoarele modalități principale:

Măsurători privind proprietățile electrice;

Determinări/ măsurători privind proprietățile magnetice;

Obținerea de ecrane electromagnetice

caracterizări ale ecranelor electromagnetice obținute:

Determinări / măsurători privind atenuarea radiațiilor electromagnetice;

În vederea realizării acestui obiectiv a fost parcurs un program de cercetare amplu și original, obținându-se un ansamblu de informații care permite evidențierea următoarelor concluzii și contribuții originale.

În cadrul activităților derulate pentru realizarea obiectivului general al tezei, s-a avut în vedere conceperea, realizarea și experimentarea de noi materiale compozite, cu aplicații în ecranarea radiațiilor electromagnetice.

Astfel, în cadrul primelor activități prevăzute în desfășurarea tezei, au fost elaborate / testate mai multe tipuri filleri cum ar fi microfire feromagnetice, pulberi metalice: pulberi de Cu obținute prin procedee clasice (măcinare).

Dintre rezultatele cu caracter de noutate menționez:

A) Din experimentările de obținere a pulberilor metalice în diverse condiții

Parametrii de proces aleși ca variabile, granulații și concentrații diferite, în procesarea fillerilor au permis obținerea unor informații utile legate de proprietățile electrice și magnetice ale materialelor alese pentru experimentări practice.

Aliajele ce se pretează cel mai bine atât din punct de vedere al procesării, cât și al proprietăților magnetice pentru prepararea de pulberilor utilizabile ca filler în ecranele electromagnetice, sunt cele corespunzătoare a Cu și cele pe bază de microfire feromagnetice

B) Din experimentările de înglobare a pulberilor metalice în compozitele de tip ecran electromagnetic:

Tehnologia de laborator concepută pentru fabricarea ecranelor electromagnenice, și caracterizarea produsului, ca model experimental – ecran electromagnetic pe bază de filleri sub formă de microfire si pulberi metalice, a permis obținerea unor noi materiale compozite cu caracteristici performante și economice.

Eșantioanele pe bază de carbon si cupru prezintă o atenuare relativ constantă pe întreg domeniul de măsurare (0,9 – 4 GHz) cu valori maxime de 20,00 dB

În cazul probelor ce folosesc microfire feromagnetice ca material de înglobare, din analiza evoluției comparative pentru cele trei ecrane, s-au obținut valori apropiate de cele pe bază de plasă de carbon și adaos de pulbere de cu.

Avantajele unor astfel de ecrane electromagnetice sunt nenumărate., ele putând fi destinate a fi utilizate pentru absorbția de radiații electromagnetice emise de diferite dispozitive cum ar fi: comunicațiile prin satelit, telefoanele mobile, instalațiile radar, antenele GSM.

4.2. Contribuții originale

Lucrarea de față cuprinde mai multe etape de cercetare, grupate în aria experimentelor, investigațiilor, prelucrării datelor experimentale. Analiza rezultatelor obținute permite în final evidențierea următoarelor contribuții originale mai importante:

Realizarea unui produs tehnic original: obținerea/caracterizarea unor materiale compozite inteligente, realizate prin folosirea ca filleri a microfirelor feromagnetice și a pulberilor metalice într-o matrice pe bază de rășină epoxidică, pentru ecranare împotriva radiațiilor electromagnetice.

Utilizarea celor mai moderne utilaje și instalații pentru obținerea ecranelor electromagnetice.

Folosirea unor tehnici avansate de caracterizare a materiilor prime folosite și a ecranelor realizate din aceste materiale a permis punerea în evidență a calității ecranelor și a prefigurat domeniile lor de utilizare practică .

Prin utilizarea ecranelor electromagnetice elaborate se pun bazele optimizării condițiilor de lucru în zone cu radiații electromagnetice peste medie, ceea ce va duce la îmbunătățirea condițiilor de viață, atât a utilizatorului casnic, cât și a personalului care lucrează în medii poluate electromagnetic.

Rezultatele originale au fost diseminate în cadrul mai multor lucrări științifice, publicate în reviste științifice de specialiate cotate ISI sau BDI, prezentate în cadrul unor conferințe, work-shop-uri sau expoziții nationale și internaționale.

4.3. Noutatea științifică a rezultatelor obținute

S-a proiectat, realizat și implementat un model expermimental de ecran electromagnetic cu formă constructivă originală pentru protecția împotriva radiațiilor electromagnetice emise de diferite surse sau dispozitive electrice.

S-a elaborat o nouă tehnologie de laborator, ce s-a dovedit a fi optimă pentru obținerea unor rezultate satisfăcătoare și pertinente.

A fost cercetată și demonstrată perspectiva utilizării acestor ecrane ca produse de protecție împotriva surselor de poluare electromagnetică.

4.4. Noi direcții de cercetare

Rezultatele obținute în urma măsurătorilor din prezenta lucrare permit extinderea activităților de cercetare experimentală, după cum urmează:

realizarea de noi materiale utilizabile ca ecrane electromagnetice și de noi tehnici de ecranare împotriva radiațiilor electromagnetice folosind structuri compozite, pe baza de microfire, cu proprietăți de ecranare a radiațiilor electromagnetice generate de diferite aparate și sisteme electronice.

cercetarea și punerea în fabricație a unui nou material magnetic compozit, pe bază de microfire cu proprietăți de absorbție și disipare în domeniul frecvențelor de microunde 800 MHz – 10 GHz, prin înglobarea materialului magnetic compozit în alte matrici care să îi confere flexibilitate.

ANEXE

A1. ECHIPAMENTE UTILIZATE LA MASURATORILE DE ECRANARE ELECTROMAGNETICĂ EFECTUATE ÎN CADRUL ACESTEI LUCRĂRI

Echipamentele utilizate in vederea determinarii eficacitatii ecranarii (SE):

A1.1 Generator de semnal

Figura 3.26 Generator de semnal Agilent E8257D

Model: Agilent E8257D;

Producător: Agilent Technologies – SUA;

Anul fabricației: 2005.

Caracteristici tehnice:

Domeniul de frecvență: 250 kHz – 40 GHz;

Nivel maxim semnal iesire: 12 dBm;

Impedanța de ieșire: 50 Ω.

A1.2 Amplificatoare de semnal

Amplificator 1

Figura 3.27. Amplificator de semnal ISI SMX50

Model: ISI SMX50;

Producător: Instruments for Industry – SUA;

Anul fabricației: 2014.

Caracteristici tehnice:

Domeniul de frecvență: 10 kHz – 1 GHz;

Putere la ieșire: 50 W.

Amplificator 2

Figura 3.28 Amplificator de semnal ISI ST181-50

Model: ISI ST181-50;

Producător: Instruments for Industry – SUA;

Anul fabricației: 2014.

Caracteristici tehnice:

Domeniul de frecvență: 1 – 18 GHz;

Putere la ieșire: 50 W.

A1.3 Antene horn mari

Figura 3.29. Antenă horn model ETS Lindgren 3115

Model: 3115;

Producător: ETS Lindgren – SUA;

Anul fabricației: 2006.

Caracteristici tehnice:

Domeniu de frecvență: 1 – 18 GHz;

Putere de intrare maximă în regim continuu: 300 W;

Putere de intrare la vârf: 500 W;

Impedanța: 50 Ω;

Dimensiuni: (l x a x h) = 244 mm x 279 mm x 159 mm.

A1.4 Analizor de spectru

Figura 3.30 Analizor de spectru Agilent E7405A

Model: Agilent E7405A;

Producător: Agilent Technologies – SUA;

Anul fabricației: 2006.

Caracteristici tehnice:

Domeniul de frecvență: 100 kHz – 26.7 GHz;

Nivel maxim semnal la intrare: 30 dBm (1 W);

A1.5 Camera anechoică

Camera anechoică folosită în cadrul măsurătorilor face parte din Laboratorul de Compatibilitate Electromagnetică al INCDIE ICPE-CA București și a fost construită de specialiștii institutului.

Figura 3.31 Camera anechoică

A2. LISTA LUCRĂRILOR ELABORATE

Lucrări publicate:

1. C. Morari, I. Balan, “Methods for determining shielding effectiveness of materials”, Electrotehnică, Electronică, Automatică, vol. 63 (2015), nr. 2, pp. 126-136, 2015; BDI

2. Pintea Jana, Morari Cristian, Balan Ionut, Stoian Elena, Chitanu Elena, “Composite Materials

Based on Silicone Rubber used for Electromagnetic Shielding”, Electromagnetic Compatibility/Electromagnetic Field. Research and Development in Romania, Editura AGIR, Seria Electrotehnica – Electroenergetica, pp. 86-88, 2014; ISBN:978-973-720-521-6. Carte

3.M. Badulescu, A . Anghel, C.C. Surdu-Bob, M. Badic, C. Morari, I. Balan, “Preliminary results on the electromagnetic shielding effectiveness of organic fabrics silver coated by high voltage anodic plasma”, OAM-RC vol. 9, nr. 9-10, 2015, pp-1230-1233

Lucrari acceptate spre publicare:

Ionut Balan, Cristian Morari, Alexandru Eros Patroi, “Composite materials for electromagnetic shielding”, U.P.B. Science Bulletin, 2015; Nr. de inregistrare: 4188.

Lucrări comunicate la conferinte:

1. Morari Cristian, Balan Ionut, Popescu Mihai Octavian, “Experimental determination of electromagnetic shielding effectiveness of materials”, The 9th International Workshop of Electromagnetic Compatibility, CEM 2014, Sept. 2014; Timisoara, Romania;

2. Codescu Mirela, Kappel Wilhelm, Chitanu Elena, Manta Eugen, Morari Cristian, Patroi Delia, Patroi Eros, Erdei Remus, Balan Ionut, Popa Dragos ” Flexible composites based on glass-coated microwires for electromagnetic shields materials”, The 9th International Workshop of

Electromagnetic Compatibility, CEM 2014, Sept. 2014; Timisoara, Romania;

3.Balan Ionut, Morari Cristian, Patroi Alexandru Eros, Popescu Mihai Octavian, “Electromagnetic properties of composite shields”, The 9th International Workshop of Electromagnetic Compatibility, CEM 2014, Sept. 2014; Timisoara, Romania;

4. Badulescu Marius, Anghel Alexandru, Surdu-Bob Cristina, Morari Cristian, Badic Mihai; Balan Ionut, “High voltage anodic plasma: a tool for manufacturing coated organic materials for

electromagnetic screening”, International Colloquium 'Physics of Materials' – PM-4, Nov. 2014, Bucuresti, Romania.

BIBLIOGRAFIE

[1]Sotir, A., Moșoiu T., Compatibilitate electromagnetică, Ed. Militară, București, 1997;

[2]Șurianu, F.D., Compatibilitate electromagnetică. Aplicații în ingineria sistemelor electroenergetice. Ed. Orizonturi Universitare, Timișoara, 2005;

[3]Schwab, A., Compatibilitate electromagnetică. Ed. Tehnică, București, 1996;

[4]Hortopan, G., Principii și tehnici de Compatibilitate Electromagnetică. Ed. Tehnică, București, 1998;

[5]Perez, R., Handbook of Electromagnetic Compatibility. London, Academic Press Limited, 1995; 11

[6]Radu, S., Introducere în Compatibilitatea Electromagnetică, Vol. 1, Ecranarea Aparaturii Electronice. Editura "Gheorghe Asachi", Iași, 1995;

[7]Șteț. D, Contribuții la analiza interferențelor electromagnetice între LEA și structuri metalice, – Teză de doctorat, UTCN, 2010. ;

[8] Iosif, F.D., Compatibilitate electromagnetic.Perturbatii electromagnetice de putere [EMC. Electromagnetic interference power], Editura ARM, Bucuresti 2008

[9]Alimpie Ignea, ”Compatibilitate electromagnetică” Editura de Vest, Timișoara, 2007.

[10]Mihai Badic, Lucian Pislaru-Danescu, Maria Stefan – Bazele ecranarii electromagnetice

[11]H. Wiesner, J. Schneider, Magnetic properties of Amorphous Fe-P Alloys Containing Ga, Ge and As, Phys. Status Solidi A., 26, 1, 1974, 71 – 5;

[12]G. F. Taylor, A method of Drawing Metallic Filaments and Disscusion of their Properties and Uses, Phys. Rev., 23, 5, 1924, 665 – 60;

[13] Ioan Dumitrescu, Doru Georgescu, Andrei Dumitrescu, Alexandru Savulescu, Liana Georgescu – Bazele electrotehnicii, Universitatea “Petrol-Gaze” din Ploiesti;

[14]  Dumitrescu, I. s.a. Electrotehnica si masini electrice.Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti, 1983.

[15] J. Clerk Maxwell, “A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field”, Phil. Trans. Royal Soc. (London) 155, pp. 459–512, 1865;

[16] J. D. Jackson, “Classical Electrodynamics”, John Wiley & Sons, New York, pp. 237-258, 1975;

[17] L. D. Landau, E. M. Lifshitz, “Electrodynamics of Continuous Media”, Pergamon, New York, pp. 239-266, 1960;

[18] Edward. M Purcell, “Electricity and Magnetism – Second Edition”, Cambridge University Press, pp. 323-334, 2011;

[19] L. D. Landau, E. M. Lifshitz, “The Classical Theory of Fields”, Pergamon, New York, pp. 70-80, pp. 116-118, 1960;

[20] Liang Chi Shen, Jin Au Kong, Applied Electromagnetism, 3rd ed. PWS Publishers, Boston, (1995).

[21] Ing. Vasile GHEORGHE STRUCTURI CU RIGIDITATE RIDICATĂ, DIN MATERIALE COMPOZITE, UTILIZATE ÎN CONSTRUCȚIA DE AUTOVEHICULE

[22] Alămoreanu, E., Negruț, C., Jiga, G., Calculul structurilor din materiale compozite, Universitatea “Politehnica” București, 1993 x34

[23] Ileana Fetita – Materiale electrotehnice si electronice"-Editura Didactica si Pedagogica Bucuresti 1993;

[24] Adrian Baraboi, Sorin Popa, Maricel Adam, Catalin Pancu, COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICĂ : SURSE DE PERTURBAȚII ELECTROMAGNETICE Iași : Editura Pim, 2007.

[25] Gabriela Paunescu, Campul electromagnetic. Studii asupra posibilelor efecte ale campului electromagnetic asupra sanatatii

[26] http://www.scrigroup.com/educatie/fizica/ECRANE-ELECTROMAGNETICE74789.php

[27] Teleabă V., Tehnologie ecologică pentru obținerea de materiale compozite avansate pentru aviatie, Bucuresti

[28] Nicolae Olimpia-Iuliana, Impactul materialelor compozite utilizate în construcții asupra mediului

[29] Lupescu Mihai Bogdan : Fibre de armare pentru materiale compozite , Editura: TEHNICA ( 2004 ), ISBN: 973-31-2212-2, Oraș: Bucuresti

[30] V. Cehan, ”Radiocomunicații digitale, vol I – Radiocomunicații”, 150 pag. Ed. Stef, Iași, 2006, ISBN 973-8961-43-2

[31] http://www.scrigroup.com/educatie/fizica/Ecranarea-campurilorstatice-C44889.php

[32] E. Simion, “Antene in compatibilitateaelectromegnetica”, ClujNapoca

[33]Eugen Coca, Curs de CEM, Universitatea Ștefan cel Mare Suceava, Facultatea de Inginerie Electrică și Știința Calculatoarelor

[34] Cătuneanu, V., Iancu, O. și Drăgulinescu, M.,.Materiale și componente electronice., Editura Didactică și Pedagogică, București, 1972

[35]Florin Doru Iosif, Marius Aurel Costea “ Ecrane electromagnetice pentru aparatura electronic

[36]Pitica, D, Proiectare antiperturbativa in sisteme electronice [Design antiperturbative electronic systems], Editura Albastra, Cluj-Napoca 2000

[37]Wolfsperger, H. Elektromagnetische Schirmung Theorie und Praxisbeispiele [Electromagnetic Shielding], Springer Verlag 2008

[38]Apollonski, S.M., Rascet elektromagnitnîh ekraniruiușcih obolocek [Calculation of the electromagnetic shielding shells], Leningrad,. Ed.Energoizdat, 1982.

[39]Kneazaev, A.D., Elementî teorî î praktiki obespecenia elektromagnitnoi savmesti-mosti radioelektronih sredstv [Theoretical and practical elements in achieving EMC radio electronic means, Editura Radio I Sviazi 1984.

[40] Kaden, H Wirbelströme und Schirmung in der Nachrichtentechnik [Wilberstrome and shielding in communication engineering], Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York 1959.

[41] Vonsovskii, S.V teoria moderna a magnetismului, Editura tehnica Bucuresti 1956

[42]  White D.R.J., Electromagnetic Shielding Materials and Properties, Editura Don White 1980

[43] Australian Academy of Science (2000) Putting it together – the science and technology of composite materials. http://www.science.org.au/nova/059/059key.htm.

[44] Alulight International GMBH (2002) Electromagnetic Shielding. http://www.alulight.com/english/products/shielding.htm.

[45] Schaffer, Saxena, Antolovich, Sanders & Warner (2003) The Science and Design of Engineering Materials, 2nd Ed. McGraw Hill Companies: 429-522

[46] Agilent Technologies (2006) Agilent Solutions for Measuring Permittivity and Permeability with LCR Meters and Impedence Analyzers: 50-54

[47] Petra Potschke, Sergej M.Dudkin and Ingo Alig (2003) Dielectric spectroscopy on melt processed polycarbonate-multiwalled carbon nanotube composites Polymer 44: 5023-5030

[48] Brian Berkowitz and Robert P.Ewing (1998) Percolation Theory and Network Modelling Applications in Soil Physics, Surveys in Geophysics Vol.19, Number 1, Springer Science: 23-72.

[49] Parker, R.J (1990) Introduction to Magnetism and Magnetic Materials, Chapman & Hall: 75-88

[50] Pierre-Marie Jacquart and Olivier Acher (1996) Permeability Measurement on Composites Made of Oriented Metallic Wire from 0.1 to 18 GHz, IEEE Trans. on MTT, V40.

[51] Ronsen Super Micro-Wire Co Ltd (2006) Manufacturer specifications. Eager Polymers (2006) Manufacturer specifications.

[52] OTT H.W., Noise reduction techniques inelectronic systems, Second edition, JohnWiley & Sons, pp. 164-187, 1988;

[53] SCHELKUNOFF S.A., Electromagnetic waves,Princeton, NJ: D. Van Nostrand, 1943;

[54] SCHULZ R.B., PLANTZ V.C., BRUSH D.R.,“Shielding theory and practice”, IEEE Trans.

Electromagn. Compat. 1998, vol. 30 (no. 3),pp. 187-201;

[55] BĂDIC M., MARINESCU M.-J., “SedBdetermination for non-conductiveelectromagnetic absorbers”, IEEE Int. Symp.Electrom. Compat. 2004, vol. 2, pp. 557-561;

[56] BĂDIC M., MARINESCU M.-J., “A new methodfor Schelkunoff isomorphism verification”,IEEE Int. Symp. Electromag. Compat. 2001,vol. 2, pp. 892-895;

[57] SAADI H., OUSSAID R., “Materials effect onshielding effectiveness”, IEEE Int. Conf.Signal Processing & Communications; 2007Nov. 24-27; Dubai, UAE; pp. 999-1002;

[58] L. SEVGI, “Electromagnetic screeningand shielding effectiveness (SE) modelling”,IEEE Antennas Propag. Mag. 2009, vol.51(no.1), pp. 211-216;

[59] WILSON P.F., MA M.T., ADAMS J.W.,“Techniques for measuring theelectromagnetic shielding effectiveness ofmaterials: Part I: Far-field sourcesimulation”, IEEE Trans. Electromagn.Compat. 1998, vol. 30(no. 3), pp. 187-201;

[60] WIĘCKOWSKI T. W., JANUKIEWICZ J. M.,“Methods for evaluating the shieldingeffectiveness of textiles”, Fibres Text. East.Eur. 2006, vol. 14(no. 5), pp. 18-22;

[61] DRINOVSKY J., KEJIK Z.,“Electromagnetic shielding efficiencymeasurement of composite materials”,Measurement Science Review, 2009, vol.9(no. 4), pp. 109-112;

[62] DESIDERI D., MASCHIO A., “A new versionof coaxial holder with continuous conductorfor tests on planar films”, Int. J. Appl.Electrom. 2012, vol. 39(no. 1-4), p. 189-194;

[63] TAMBURRANO A., DESIDERI D., MASCHIOA., SARTO M.S., “Coaxial waveguide methodsfor shielding effectiveness measurement ofplanar materials up to 18 GHz”, IEEE Trans.Electromagn. Compat. 2014, vol. 56(no. 6),pp. 1386–1395;

[64] WIĘCKOWSKI T. W., JANUKIEWICZ J. M.,“Methods for evaluating the shieldingeffectiveness of textiles”, Fibres Text. East.Eur. 2006, vol. 14(no. 5), pp. 18-22;

[65] MIL-STD-285, Attenuation measurementsfor enclosures, electromagnetic shielding forelectronic test purposes, method of,Government Printing Office, Washingto USA, 1956;

[66] MORARI C., BALAN I., PINTEA J., CHITANUE., IORDACHE I., “Electrical conductivity and

electromagnetic shielding effectiveness ofsilicone rubber filled with ferrite andgraphite powders”, Progress In Electromag.Research M. 2011; vol. 21, pp. 93-104;

[67] HATFIELD L. L., SCHILDER B., “Microwaveshielding measurement method”, IEEE Pulsed

Power Conf.; 2009 June 28-July 2;Washington, USA; pp. 1280-1284;

[68] CATRYSSE J. A., M. de GOEIJE,STEENBAKKERS W., ANAF L., “Correlationbetween SE measurements and alternativemethods for characterization of shieldingmaterials”, IEEE Trans. Electromagn.Compat. 1993, vol. 35(no. 4), pp. 440-444;

[69] CRIEL S., MARTENS L., D. DE ZUTTER,“Theoretical and experimental near-fieldcharacterization of perforated shields”, IEEETrans. Electromagn. Compat. 1994, vol.36(no. 3), pp. 161-168;

[70] SMITH D. C., HERRING C., HAYNES R., “Animproved method of characterizing shieldingmaterials”, IEEE Int. Symp. Electromag.Compat.; 1994 Aug. 22-26; Chicago, USA; pp.224-226;

[71] GARDNER C. L., POISSANT Y. F. C.,“Measurement of the shielding properties ofcomposite aterials: Comparison of the dualTEM and noncontact probe methods”, IEEETrans. Electromagn. Compat. 1998, vol.40(no. 4), pp. 364-369;

[72] HAYASHI T., KOMIYAMA K., MORIOKA T.,“Measurements of near-field shieldingeffectiveness by small loop antennas”, IEE Conf. Precision Electromag. Meas.; 2000 May14-19; Sydney, Australia, pp. 529-530;

[73] ANDRIEU G. et al., “Low-frequencycharacterization of composite panels from anear-field magnetic shielding effectivenessmeasurement”, IEEE Int. Symp. Electromag.Compat.; 2011 Aug. 2011; Long Beach, USA;pp. 855-860;

[74] Andrieu G. et al., “Homogenization ofcomposite panels from a near-field magneticshielding effectiveness measurement”, IEEETrans. Electromagn. Compat. 2012, vol.54(no. 3), pp. 700-703;