Utilizare undelor electromagnetice în procesul de încălzire a metalelor [308679]

UNIVERSITATEA DIN ORADEA

FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ ȘI TEHNOLOGIA INFORMAȚIEI

DOMENIUL: INGINERIE ELECTRICĂ / [anonimizat] a metalelor

COORDONATOR ȘTIINȚIFIC:

Prof. univ. dr. ing. ec. SILAGHI ALEXANDRU MARIUS

STUDENT: [anonimizat]

2018

Cuprins:

I. Electromagnetismul

II. Spectrul electromagnetic

III. Reprezentarea grafică a undelor

IV. ‎Microunde – generalități

V. ‎Generatoare de microunde

VI. Influența câmpului electromagnetic

VII. Aplicații

VIII. [anonimizat].

[anonimizat], adică în direcția magnetismului terestru.

Deci, [anonimizat].

[anonimizat], [anonimizat].

[anonimizat]- nichel, cobalt etc..

Prezența curentului electric este însoțită întotdeauna de câmp magnetic și invers.

[anonimizat], [anonimizat].

[anonimizat], de-a lungul unui conductor. Pentru a [anonimizat].

[anonimizat]-un câmp a [anonimizat], de direcția în care se așează acul magnetic. [anonimizat],să fie tangente la direcția acului magnetic din acel punct.

S-a convenit a [anonimizat], aflat în câmp.

Liniile de câmp magnetic ale câmpului produs de un magnet permanent sunt reprezentate în fig. 1. Ele ies din polul nord și intră în polul sud. În fig. 2 sunt reprezentate liniile de câmp magnetic ale unui conductor rectiliniu și parcurs de curent electric.

[anonimizat], [anonimizat] .

Fig. 1 Fig. 2

Liniile de câmp magnetic ale unei bobine (solenoid) parcursă de curent electric sunt prezentate în fig. 2.3.

[anonimizat], spre deosebire de cele de câmp electric care nu sunt închise (acestea pornesc din sarcinile electrice pozitive și se termină în sarcinile negative).

Experimental, [anonimizat]a sensului curentului prin conductor se schimbă și sensul liniilor de câmp.

Legătura dintre sensul curentului și sensul liniilor de câmp magnetic este dată de regula burghiului sau a tirbușonului, care se enunță în felul următor: dacă se învârte burghiul (sau tirbușonul), în așa fel încât să înainteze în direcția și sensul curentului, atunci sensul de rotație a burghiului (sau a tirbușonului) va indica sensul liniilor de câmp magnetic. Dacă cunoaștem sensul liniilor de câmp, putem determina sensul curentului în conductor.

Câmpul magnetic într-un punct dat, este caracterizat printr-o mărime direcțională numită inducția câmpului magnetic, B. Inducția câmpului magnetic poate fi determinată fie prin forța mecanică cu care câmpul magnetic acționează asupra unui curent electric, fie prin t.e.m. indusă într-un conductor care se mișcă în câmpul magnetic.

Numim câmp magnetic omogen, acel câmp care în orice punct al său, are aceeași inducție magnetică (mărime, direcție și sens).

Un câmp magnetic acționează asupra unui conductor rectiliniu de lungime l,

parcurs de curentul I, cu o forță electromagnetică F .

Această forță este direct proporțională cu inducția câmpului magnetic, cu lungimea conductorului aflat în câmpul magnetic, cu sinusul unghiului dintre direcțiile curentului și direcția câmpului și nu depinde de materialul și

secțiunea conductorului. Direcția forței F este totdeauna normală pe planul determinat de direcția curentului și direcția câmpului magnetic.

Forța F este dată de relația:

F = B× I × l × sin ( l ,B ) sau F =I (l × B )

în care B este inducția câmpului magnetic, care caracterizează câmpul magnetic. Sensul forței F este dat de regula mâinii stângi, care se enunță

astfel: se așează palma mâinii stângi în așa fel încât liniile de câmp

magnetic să intre în palmă, iar cele patru degete alăturate îndreptate după direcția curentului, degetul mare depărtat la 90o, indică direcția și sensul forței.

Fig. 2.4

În fig. 2.4 este reprezentat un câmp magnetic omogen, dat de doi poli magnetici, în care se află un conductor de lungime l și străbătut de curentul I.

Aplicând regula mâinii stângi găsim direcția și sensul forței F la care este supus conductorul.

Dacă se inversează sensul curentului în conductor și se menține sensul

câmpului magnetic, forța F își va schimba sensul.

Același lucru se obține dacă se menține sensul curentului și se inversează sensul câmpului magnetic. Dacă însă se schimbă și sensul curentului și sensul câmpului magnetic, direcția și sensul forței vor rămâne neschimbate.

Această forță la care este supus un conductor străbătut de un curent electric, aflat într-un câmp magnetic, se numește forță electromagnetică sau forță laplaceană.

Spectrul electromagnetic

Spectrul electromagnetic reprezintă totalitatea radiațiilor electromagnetice existente în Univers.

Reprezentarea grafică a undelor electromagnetice

Reprezentarea în plan a formării și propagării undelor de câmp electro-magnetic:

Reprezentare tridimensională în secțiune (E – câmpul electric, B – câmpul magnetic):

Reprezentare tridimensională în ansamblu (E – câmpul electric, B – câmpul magnetic):

Reprezentarea grafică simplificată a fenomenului de undă E-M:

V. ‎Microunde – generalități

Dezvoltarea explozivă a utilizatorilor de energie electrică precum și a aplicațiilor din domeniul transmiterii informației pe suport electromagnetic, specifică civilizației moderne a condus la apariția a numeroase probleme referitoare la expunerea biologicului, la influența câmpului electromagnetic din mediu. Utilizarea radiației electromagnetice din domeniul radiofrecvențelor este din ce în ce mai frecventă. Transmisiunile prin satelit, telefonie celulară, utilizarea sistemelor termice cu microunde se extinde tot mai mult. În acest sens, efectul net și cuantificabil al radiației electromagnetice este cel termic, pentru care organismele internaționale au stabilit norme de siguranță.

Odată cu creșterea numărului de aplicații în domeniul electrotehnicii și electronicii și a complexității tehnologiei informatice, în interiorul sistemelor și între sisteme, au fost puse în evidența noi interacțiuni. Domeniul frecvențelor aplicațiilor tehnice s-a extins continuu, de la frecvențe de ordinul Hz până la ordinul GHz, corespunzând la lungimi de undă de la 1000 Km la 0,1 m. Domeniul frecvențelor tehnice se suprapune tot mai mult peste spectrul natural de frecvențe (vezi figura).

Astfel, dezvoltarea electronicii , în special a aplicațiilor cu viteze de procesare și transmisie ridicate și cu consumuri reduse, a electrotehnicii neliniare, prin diversificarea rețelelor de comunicare și transmisii de date, a dus la cresterea gradului de poluare electromagnetică, atât în mediul înconjurator cât și în cadrul rețelelor energetice, de comunicare și de altă natură.

Se evidențiaza atât influențe negative (“poluarea electromagnetică”), cât și benefice (terapeutica medicala in mediu electromagnetic); apar probleme de dozare și control în expunere. Prin perturbație electromagnetică se întelege orice fenomen electromagnetic susceptibil să degradeze funcționarea unui aparat, echipament, sistem sau să influențeze defavorabil materia vie sau pe cea inertă. Prin degradarea funcționării se întelege modificarea nedorită a caracteristicilor de funcționare ale aparatului/echipamentului/sistemului în raport cu cele prevăzute de proiectant. Aparatul/echipamentul/sistemul care emite perturbația poate fi numit sursă sau emițător de perturbație electromagnetică, iar cel care o recepționează este numit receptor de perturbație electromagnetică. Trebuie reținut faptul că orice aparat, echipament sau sistem electric sau electronic poate fi în acelasi timp emițător sau receptor de perturbație electromagnetică.

Nivelul unei perturbații electromagnetice se poate exprima:

în unități absolute:

– valoarea de vârf

-valoarea mediu

– valoarea efectivă a tensiunii

– valoarea efectivă curentului

– valoarea efectivă a intensității câmpului electric

-valoarea efectivă a intensității câmpului magnetic

-valoarea efectivă a puterii

în unități relative liniare: valoarea relativă este obținută prin raportarea la o mărime de referință

în unități logaritmice exprimate în dB

Perturbațiile electromagnetice se clasifică:

după natura emisiei perturbației:

-perturbații conduse: sunt perturbații caracterizate prin mărimi referitoare la curent și tensiune;

-perturbații radiate: sunt perturbații caracterizate pin mărimi referitoare la câmp electric și magnetic

după durata de timp:

-perturbații permanente: armonicile introduse de rețeaua de consumatorii neliniari, emisiile radio și TV afectează în special circuitele analogice;

-perturbații tranzitorii: descărcările atmosferice, supratensiunile și supracurenții în circuite electrice, descărcările electrostatice, emisiile electromagnetice ce însotesc comutațiile și defectele de izolație în instalatiile de Î.T. care afecteaza în special circuitele numerice.

după caracteristicile spectrului de frecvențe:

-perturbații de joasă frecventă < 9 kHz (1MHz)

-perturbații de înaltă frecventă > 9 kHz.

Cea mai mare parte din echipamentele electrice și electronice sunt generatoare de regim deformant și producătoare de perturbații electromagnetice. Acestea produc, alături de sursele naturale – unele deosebit de puternice – generatoare de zgomot electromagnetic, perturbații care se transmit către consumatori prin conducție electrică și prin radiație electromagnetică. Un model simplu al interacțiunii electromagnetice între sistemele electrice este prezentat în figura 2. Cele 2 sisteme izolate acționeaza unul drept sursă emițătoare de energie electromagnetică iar celălalt drept receptor de energie. Cuplarea energetică între sisteme se realizează prin sau fără conducție electrică.

Conceptul de compatibilitate electromagnetica

Conceptul de compatibilitate electromagnetică (CEM) a apărut odată cu introducerea microelectronicii în sistemele de automatizare, în convertoarele electrice, în sistemele electrice ți electronice ale autovehiculelor etc., eveniment care a dus la accentuarea nivelului de poluare electromagnetică a mediului înconjurator. Într-o accepțiune generală, compatibilitatea electromagnetică (CEM) reprezintă coexistența neconflictuală (fără perturbații sau interferențe nedorite) a emițătoarelor și receptoarelor de energie electromagnetică. Într-o accepțiune mai simplistă, compatibilitatea electromagnetică este proprietatea unui echipament sau a unui component al acestuia de a funcționa fără a provoca perturbații nedorite.

Emițătoare de energie electromagnetică sunt și surse de producere a perturbațiilor, cum sunt:

emițătoare radio și televiziune

circuite electrice și sisteme a căror funcționare are ca efecte secundare producerea de energie electromagnetică și poluarea mediului înconjurator, cum sunt:

-instalațiile de aprindere ale autovehiculelor

-lămpile cu descărcări de gaze

-motoarele electrice cu colector

-electronica de putere și dispozitivele de comutație cu contacte

-descărcările atmosferice

Receptoarele de energie electromagnetică pot fi simultan și emițătoare de perturbații:

-receptoare radio și TV

-sisteme de automatizare

-microelectronica de pe autovehicule

-mijloacele de măsurare, comandă și reglare

-instalațiile de prelucrare și transmiterea datelor

-stimulatoarele cardiace

-bioorganismele

De menționat ca sursele de producere a perturbațiilor pot fi:

naturale

-trăsnetele

-descărcările electrostatice

artificiale: – fenomene care se produc în timpul exploatării echipamentelor de producere, transport și utilizare a energiei electrice:

– procese de anclanșare și declanșare

-radiația circuitelor, respectivă a conductoarelor

-armonicile de joasă frecvență în rețelele electrice

-nesimetriile

Perturbațiile pot fi:

reversibile:

-pierderea temporară a inteligibilității convorbirilor telefonice

-pocnituri în aparatele de radiorecepție care apar în comutarea aparatelor electrocasnice

ireversibile: distrugerile unor componente electronice de pe cablaje imprimate din cauza încărcării electrostatice

Pentru măsurarea intensițătii câmpului electromagnetic se pot folosi aparate pentru lucrări de cercetare (foarte scumpe, de precizie ridicată și produse întru-un număr redus de exemplare) și aparate pentru verificări experimentale (de precizie redusă și produse în serie mare).

Pentru măsurarea intensității câmpurilor electromagnetice în laboratoare, în spații industriale de lucru, în centre urbane etc. se pot folosi aparate, care au costuri reduse și cu o precizie satisfăcătoare. Referitor la efectele poluării armonice, ca parte importantă a poluării electromagnetice se poate semnala afectarea tot mai importantă a parametrilor de funcționare a echipamentelor electrice destinate să lucreze în regim permanent sinusoidal, de frecvență constantă, datorită intensificării poluării armonice.(tabel 1)

Tab. 1 Poluare armonică asupra echipamentelor din componența sistemelor energetice.

În funcție de modul de comportare într-o rețea electrică afectată de regim nesinusoidal, echipamentele electrice se împart în:

echipamente sensibile:

-la curenții armonici care le parcurg (perturbații în domeniu audiofrecvență)

-la tensiuni dermante aplicate la bornele echipamentului (pierderi în circuitele magnetice)

Pierderile de energie ce apar datorită regimurilor deformante conduc la creșterea cheltuielilor de producere a energiei electrice, supradimensionarea elementelor rețelei și deci la majorarea investițiilor în sistemul energetic. Instalații sincronizate cu tensiunea rețelei și care sunt afectate de perturbații funcționale în prezența armonicilor de tensiune (undele comenzii la motoarele electrice, comanda invertoarelor, etc)

Surse de câmpuri electrice și magnetice de frecvență industrială pot fi clasificate în 3 categorii:

-linii electrice de transport (cu tensiuni de ordinul sutelor de kV și intensități de curent de ordinul kA)

-rețele electrice de distribuție (cu tensiuni de ordinul zecilor de kV și sub 10 kV și intensități de curent de ordinul sutelor și zecilor de amperi)

-instalațiile electrice din industrie, agricultură, transporturi, aparatură electrocasnică, de laborator și de birou (cu tensiuni sub 1 kV și curenți de intensitate sub 100 A)

Prezența acestor surse de câmpuri electrice și electromagnetice a făcut ca mai ales în țările puternic industrializate, valoarea intensității câmpului electric cât și al câmpului magnetic să depășească cu mult valorile naturale și terestre. În cazul liniilor de transport și distribuție a energiei electrice studiile epidemiologice și statistice realizate au relevat problema creșterii riscului de âmbolnăvire de cancer la persoanele aflate sub incidenta câmpurilor produse de sistemul energetic. Astfel observațiile realizate asupra personalului din stațiile de distribuție, la cel care executa lucrări sub tensiune și la personalul de întreținere a sistemului electro-energetic indică o tendință de creștere a factorului de risc în privința stimulării leucemiei, a tumorilor neurale, ca și apariția unor tulburări comportamentale. Evident nu numai constructorii sistemelor electro-energetice se confruntă cu problema poluării electromagnetice ci și producătorii de aparatură electrocasnică și de birou. Sunt cunoscute deja măsurile luate de unii proiectanți pentru protejarea consumatorilor: construcția videoterminalelor cu emisie slabă de câmp electromagnetic de către IBM și Apple Computer. Pentru siguranța sănătății populației se impune informarea cât mai exactă asupra nivelurilor de expunere și cercetărilor biomedicale privind eventualele efecte asupra sănătății. La stadiul actual al cunoașterii, chiar dacă nu se poate face o separare netă a efectelor câmpurilor electromagnetice de alte influențe ale factorilor de poluare din mediu, este indicat să se ia , la nivel individual , măsuri de evitare a riscurilor, prin modificări ale mediului ambiental și mai ales prin îndepărtarea organismului de sursele cunoscute de câmpuri, ținând seama ca aceste câmpuri variază invers proporțional cu distanța sau cu o putere a acesteia.

VI. Generatoare de microunde

Oricare ar fi frecvența, un oscilator electromagnetic conține, în esență, aceleași părți componente principale:

– un element activ (tub cu vid, diodă cu rezistență negativă, tranzistor etc.), capabil să amplifice semnalele;

– o rețea de reacție, care readuce la intrarea elementului amplificator o parte din energia semnalului de la ieșire;

-un element rezonant – eventual cu frecvență de rezonanță variabilă – care introduce în bucla de reacție un defazaj dependent de frecvență, astfel încât faza semnalului de reacție este cea corectă numai la o singură frecvență, care astfel devine frecvența de oscilație a oscilatorului.

La frecvențele "clasice", mai joase (sub 1 GHz), există o mare varietate de scheme posibile de oscilator. În general toate aceste scheme folosesc drept element activ un tranzistor sau un tub electronic cu vid, dar diferă între ele prin tipul de conexiune al elementului activ (BC, EC sau CC în cazul tranzistorului), precum și prin structura circuitului de reacție utilizat (priză capacitivă la oscilatoarele Colpitts, priză inductivă la oscilatoarele Hartley etc.).

Oscilatoarele de microunde ar putea avea structuri similare, dar creșterea frecvenței lor de oscilație este întotdeauna limitată.

Principalele probleme specifice care apar la utilizarea elementelor active clasice la frecvențe foarte înalte sunt:

– prezența elementelor reactive parazite, în special capacitățile parazite dintre electrozii elementului activ, dar și inductanțele parazite ale conexiunilor;

– timpul de tranzit al purtătorilor de sarcină, care la frecvențe foarte înalte devine comparabil cu perioada semnalului, producând astfel o reducere drastică a amplificării elementului activ.

Pentru a reduce influența elementelor reactive parazite au fost realizate dispozitive cu construcții speciale, la care elementele reactive sunt reduse la minimum. Influența elementelor reactive parazite poate fi diminuată și mai mult prin includerea lor direct în elementele rezonante, așa cum se întâmplă la așa-numitul "tub far" (fig.1.1).

Pentru a reduce efectul timpului de tranzit al purtătorilor de sarcină, soluția este reducerea dimensiunilor fizice ale dispozitivelor, astfel încât distanțele de parcurs să fie cât mai mici. Din acest motiv tranzistoarele de microunde au lățimi ale bazelor foarte reduse, de ordinul unor fracțiuni de micron. Evident, realizarea unor astfel de tranzistoare de microunde presupune o tehnologie corespunzătoare, extrem de performantă.

Fig. 1.1 Tub "far" pentru frecvențe înalte.

În tuburile electronice speciale de microunde cum ar fi klistronul, magnetronul, tubul cu undă progresivă etc., problema timpului de tranzit al purtătorilor de sarcină este complet eliminată, deoarece acest timp este inclus în însuși principiul de funcționare al dispozitivului respectiv. De altfel, la majoritatea oscilatoarelor de microunde realizate cu astfel de tuburi speciale apare și o întrepătrundere a funcțiilor de amplificare, de reacție, de stabilire a frecvenței, astfel încât deși aceste oscilatoare conțin toate elementele clasice, ele trebuiesc analizate ca un tot unitar.

Magnetronul este un tub oscilator de microunde special, destinat obținerii unor puteri mari, în condițiile unui randament bun.

Oscilatoarele de microunde pot fi realizate și cu diode speciale cum ar fi dioda tunel, dioda Gunn, dioda IMPATT, dioda TRAPATT etc.

Fig. 1.2 Rezonator "fluturaș".

Pe lângă aspectele specifice ale elementului activ, oscilatoarele de microunde se deosebesc de oscilatoarele "clasice" și prin alte aspecte, referitoare la elementele pasive care intră în componența lor. La frecvențe nu prea înalte, elementele rezonante pot avea fie o structură concentrată (LC), fie una distribuită (tronsoane de linii terminate în scurtcircuit).

Un tip mai deosebit de rezonator – având o structură semiconcentrată – este prezentat în figura 1.2; acest tip de rezonator "fluturaș" este folosit atât în oscilatoare cât și în frecvențmetre.

La frecvențe mai înalte, elementul rezonant care stabilizează frecvența de rezonanță se prezintă de regulă sub forma unui rezonator de volum: cavitate rezonantă sau rezonator de dielectric.

În oscilatoarele cu frecvență variabilă (sweeper) în bucla de reacție a amplificatorului se folosesc de regulă filtre YIG (yttrium-iron-garnet), deoarece frecvența de rezonanță a unei sfere de YIG situată într-un câmp magnetic de polarizare H0 poate fi modificată prin modificarea valorii câmpului de polarizare.

Variații mult mai mici ale frecvenței de oscilație pot fi obținute și prin utilizarea unei diode varactor care, prin valoarea capacității sale – capacitate dependentă de tensiunea continuă de polarizare inversă aplicată diodei – poate influența frecvența de rezonanță a unui rezonator. Variațiile de frecvență ce pot fi obținute cu ajutorul varactoarelor sunt însă limitate de regulă la câteva procente din frecvența centrală, iar variația frecvenței cu tensiunea de polarizare este, în general, neliniară.

În cazul folosirii oscilatoarelor ca generatoare de semnal pentru măsurări, un aspect deosebit de important este calibrarea nivelului de ieșire al generatorului. Într-adevăr, un generator folosit în măsurări trebuie să aibă un nivel de ieșire cunoscut și reglabil, nivel care să nu se modifice la schimbarea sarcinii sau a frecvenței de lucru. În general, indiferent de tipul de oscilator utilizat, sursa nu poate satisface de la sine toate aceste cerințe. Soluția problemei constă în utilizarea unui sistem de control automat al nivelului de ieșire ALC (automatic level control).

Sistemul de control automat al nivelului constă în menținerea automată a nivelului dorit al undei emergente din generator, fără ca acesta să fie influențat de sarcină sau de modificarea frecvenței de lucru. Elementele componente esențiale ale sistemului sunt un atenuator comandat electric și un circuit de sesizare a amplitudinii undei emergente (fig.1.3). Atenuatorul variabil, comandat electric, este realizat cu diode PIN. Circuitul de separare a unui semnal proporțional numai cu unda emergentă din sistem poate fi realizat cu un cuplor directiv sau cu un divizor de putere cu două rezistențe (power splitter). Se știe (v.cursul de Microunde) că la un astfel de divizor cele două unde de ieșire sunt egale între ele, indiferent de sarcinile conectate la porți. Detectorul de amplitudine este de regulă un detector cu diodă, iar amplificatorul operațional permite fixarea nivelului dorit la ieșire prin simpla modificare a unei tensiuni de referință.

Utilizarea unui power splitter în sistemul ALC implică – în comparație cu posibila folosire a unui cuplor directiv – o reducere suplimentară cu cca. 3 dB a puterii de la ieșirea generatorului calibrat, dar în general este preferat totuși power splitter-ul deoarece acesta are o bandă de lucru mult mai largă decât banda unui cuplor directiv.

Fig. 1.3 Sistem de control automat al nivelului la ieșirea unui generator de microunde.

Generatorul prevăzut cu un sistem ALC are și calitatea de a fi foarte bine adaptat, adică de a prezenta un coeficient de reflexie foarte mic. Într-adevăr, dacă câștigul buclei de reacție din sistemul ALC tinde la infinit atunci o eventuală undă venită dinspre sarcină care ajunge la generatorul propriu-zis și se reflectă pe acesta are un efect similar cu o mică variație a nivelului undei a0 emise din generator, efect ce este imediat compensat de sistemul ALC. Deci o eventuală undă incidentă pe generatorul dotat cu ALC este complet absorbită în interiorul sistemului, ceea ce este echivalent cu o valoare nulă a coeficientului de reflexie al ansamblului:

Fig. 1.4 Determinarea atenuării de inserție a unui diport.

a – calibrare; b – măsurarea diportului.

Coeficientul de reflexie al unui generator joacă un rol important în orice operație de măsurare. Pentru exemplificare se poate considera măsurarea unei atenuări de inserție, măsurare care presupune determinarea puterii disipate într-o sarcină (detector), în două situații: întâi conectând direct sursa la detector (calibrare), apoi intercalând între sursă și detector diportul de măsurat (DDM, în fig.1.4) și, în final, compararea valorilor puterilor astfel obținute. Dacă generatorul are un coeficient de reflexie ΓG și emite din interiorul său o undă aG, diportul este descris prin matricea lui de repartiție S, iar detectorul are un coeficient de reflexie ΓD, atunci pentru puterile măsurate în cele două situații rezultă expresiile:

, (1.1) . (1.2)

Din împărțirea lor se obține atenuarea de inserție măsurată, Amas: .

Valoarea reală a atenuării de inserție, valoare care ar putea fi măsurată dacă s-ar dispune de un generator și de un detector ideale având ΓG = 0, ΓD = 0, este:

,

Comparând acest rezultat cu cel precedent rezultă relația:

. (1.3)

Se constată că intervin aici – cu roluri similare, la fel de importante – ambii coeficienți de reflexie, atât al sarcinii cât și al generatorului.

În practică, de regulă sunt cunoscute doar modulele coeficienților de reflexie ΓG și ΓD (această informație fiind dată sub forma valorii numerice a raportului de undă staționară corespunzător, s = (1 +½Γ½)/(1 -½Γ½), în timp ce fazele din expresia de mai sus – care, de altfel, depind și de lungimile elementelor de interconectare – nu sunt cunoscute exact. În această situație operația de măsurare este afectată de o anumită incertitudine, reprezentată prin intervalul între valoarea maximă posibilă și valoarea minimă posibilă a expresiei de mai sus. Incertitudinea măsurării crește o dată cu creșterea modulelor coeficienților de reflexie ΓG și ΓD.

În cazurile în care valorile coeficienților de reflexie ai generatorului și detectorului conduc la incertitudini inacceptabile ale rezultatelor măsurării, este posibilă o îmbunătățire a situației prin adăugarea unor izolatoare la intrarea în detector, respectiv la ieșirea din generator. Un izolator ideal ar conduce la anularea coeficientului de reflexie respectiv, în timp ce un izolator real – chiar dacă este imperfect – poate totuși să producă o importantă diminuare a valorii acestuia.

VII. Influența câmpului electromagnetic

Influența câmpului electromagnetic asupra corpului uman

Operatorul uman, în activitatea sa de îndeplinire a rolului sau de a conduce un proces tehnologic, este supus influenței câmpurilor electromagnetice. Principala acțiune a câmpurilor electromagnetice asupra organismului uman constă în agravarea sau accelerarea apariției bolilor cardiace, vasculare, neurologice și psihice. Această influență, care depinde de intensitatea câmpurilor electromagnetice și de durata de expunere, este în continuă creștere datorită măririi numărului de surse poluante cu câmpuri electromagnetice. Pentru aprecierea influenței câmpurilor electromagnetice asupra organismelor vii s-au făcut cercetări experimentale asupra unui individ separat și asupra unui grup de indivizi, de diferite vârste, pe durate diferite de expunere în timpul serviciului și pentru diferiți parametrii a-i factorilor poluanți. De exemplu dintr-o grupă de indivizi, cu vârste peste 40 ani, care se ocupau cu instalații la frecvențe înalte 10 KHz – 30 MHz, cu o intensitate de 100 – 300 V/m, numai 7,4 % nu au reclamat perturbări ale stării de sănătate și în primul rând al sistemului nervos și cardio-vascular. Cercetări similare s-au efectuat în spații de producție, unde s-a constatat că prezența câmpurilor electromagnetice de joasă frecvență are o influență negativă asupra sistemului cardio-vascular al muncitorilor, observându-se o reducere a pulsului, o modificare a ECG, o micșorare a puterii de recepție vizuale și auditive și o accentuare a stării de oboseală.

Principalele surse de poluare sunt :

– câmpul electric natural al Pământului care depinde de latitudine și altitudine

– câmpul electric static artificial care apare în procesul de prelucrare a unor mase plastice, în utilizarea unor țesături din materiale sintetice

-câmpul magnetic terestru care are o componentă variabilă, numită furtună magnetică, în funcție de fenomene astronomice

-câmpurile electromagnetice naturale (fulgere)

-câmpurile electromagnetice artificiale (undele radio in gama 3×105 – 3×107 Hz, rețelele industriale de alimentare cu energie electrică, la frecvența de 50 Hz)

În prezent, pe plan mondial, se intreprind acțiuni pentru limitarea efectelor câmpurilor electromagnetice asupra organismelor vii, dintre care cele mai importante sunt:

Normarea intensității admisibile ale câmpurilor electromagnetice, pentru activități industriale și pentru locuințe, în centre urbane sau rurale. Această diferențiere este necesară deoarece timpul de expunere a unei persoane diferă intr-o activitate industrială și în spațiul de locuit. De exemplu, în SUA este recomandată densitatea de putere maximă a campului electromagnetic de 10 mW/cm2, în domeniul de frecvențe de 10¸ 105 MHz. În multe țări sunt elaborate tabele, prin care se determină valorile admisibile în funcție de timpul de expunere.

Aplicarea de măsuri de protecție în desfășurarea unor activități cu surse de câmpuri electromagnetice, dintre care se pot mentiona:

-protecția față de câmpuri magnetice puternice, constante și de joasă frecvență, realizând ecrane din materiale feromagnetice care au o permeabilitate ridicată, ca de exemplu din aliaje fier-nichel

-protecția prin limitarea timpului de expunere, utilizând aparate de avertizare acustică sau optică

-protecția prin desfășurarea activităților la distanță calculată față de sursa de câmp electromagnetic, se face utilizând relații empirice în care intervin parametrii sursei radiante

-protecția prin utilizarea unor ecrane ale locului de muncă, ca de exemplu a unor încaperi formate din plase metalice.

-protecția prin utilizarea unor suprafețe reflectorizante ale câmpului electromagnetic, ca de exemplu a unor folii metalice.

-protecția prin utilizarea unor halate sau alte articole de îmbracaminte de protectie, realizate din țesături din bumbac, mătase, etc. , în structura cărora intră fire subtiri metalice, care de exemplu formeaza ochiuri de dimensiunile 0,5 – 0,5 mm.

Corodarea materialelor metalice sub acțiunea undelor electromagnetice

Omenirea s-a confruntat pentru prima dată cu problematica degradărilor prin coroziune accelerată datorate curenților de dispersie în curent continuu la începutul sec. XX când, în urma revoluției tehnice, la tramvaiele din Los Angeles, tracțiunea hipo a fost înlocuită cu tracȑiune electrică în curent continuu (1906). În numai 2 ani, au apărut avarii semnificative la rețeaua de distributie a apei potabile, iar în 1910 deja s-a raportat existența primului autolaborator mobil, specializat în investigarea și determinarea curenților de dispersie în curent continuu (figura 1)

Fig. 1 – Autolaborator mobil de epoca destinat monitorizarii curentilor de dispersie (Los Angeles 1910).

În absența implementării a unor soluții tehnice de protectie adecvate și/sau a concepției și executării corespunzătoare a unor sisteme complex construite, intensitatea curenților de dispersie în curent continuu este mare (de exemplu, la metroul din București au fost determinați curenti de dispersie de până la 800A) și, implicit, distrugerile aferente sunt apreciabile (figura 2, 3).

Fig. 2 –  Degradări accentuate la elementele de fixare ale metroului din Budapesta (apărute în cca. 2 ani) datorate curenților de dispersie în curent continuu

Fig. 3 –  Coroziunea localizată a unor conducte de gaze datorate curenților de dispersie în c.c. proveniți de la tramvaiele și metroul din București

În ceea ce privește degradările prin coroziune accelerată ale unor structuri metalice expuse acțiunii curenților de dispersie în curent alternativ sau compusi (curent continuu și curent alternativ), acestea sunt exemplificate prin figurile 4 și 5.

Fig. 4 –  Degradarea elementelor de susținere din beton armat care funcționează în câmp electromagnetic intens

Pe lângă efectul accelerator de coroziune al poluării electromagnetice a mediului, de remarcat este faptul că tensiunile în c.a. induse în structurile metalice „victima” (instalații industriale sau civile, cum ar fi conductele de transport și distributie a gazelor naturale) din liniile de transport și distributie a energiei electrice, în unele cazuri, pot avea valori periculoase, ceea ce în absența unor soluții tehnice de protecție adecvate – pot periclita securitatea / integritatea operatorilor și sau a consumatorilor (figura 9).

Fig. 9 Tensiunile induse în structurile metalice victimă de către poluarea electromagnetică a mediului pot atinge valori periculoase pentru personalul de deservire a instalațiilor și /sau a consumatorilor de gaze naturale.

Impactul microundelor asupra organismelor

Soarele este sursa naturală de microunde cea mai puternică. Valoarea limită, impusă de către biroul pentru sănătate radiologică, pentru intensitatea radiațiilor scăpate din cuptoare cu microunde, este de aproximativ un miliard de ori mai mare decât valoarea intensității radiațiilor din întregul spectru de microunde emis de Soare.

În anii 70, nivelul intensității microundelor artificiale de comunicație și al undelor radio de înaltă frecvență era apreciat în unele orașe ale S.U.A. ca fiind de 100-200 milioane de ori mai mare decât intensitatea radiațiilor de fond de frecvență înaltă, provenind de la Soare. Din anii '70 incoace, dezvoltarea aparaturii ieftine pentru producerea de microunde a dus la o răspandire și o aplicație largă a acestor aparate, însoțite implicit de o creștere neîncetată și amenințătoare a acestei invizibile poluări deosebit de grave, desemnate uneori prin sintagma 'smog electronic'.

Acest “smog” invizibil a ajuns deja să fie prezent pretutindeni – ne pătrunde casele, locurile de muncă și cele de odihnă și este absorbit de organismul uman în proporție importantă, nu fără consecințe în ceea ce privește sănătatea.

Literatura care s-a strâns până acum în legatură cu acest fenomen, aduce o constelație întreagă de indicii și de argumente care arată ca valorile curente ale intensității radiațiilor de microunde, fiind cu mult mai mari decât acelea ale radiațiilor naturale, sunt foarte dăunătoare sănătății.

Una dintre primele utilizări ale microundelor a fost pentru aparatele radar din timpul celui de-al doilea război mondial. De atunci, microundele și-au găsit o răspăndire largă îin diferite domenii: instalații de securitate a zborului, radare militare și de poliție, instalații de emisie TV, dotări de telefonie mobilă, aparate medicale de diatermie și cuptoare cu microunde. Totodată, numărul de aplicații industriale a crescut permanent și alarmant. Microundele sunt folosite pentru încalzire în instalațiile de prelucrare a cauciucului, precum și în cele de producere a hârtiei și a cartonului.

Iradierea în mediul ambiant

Microundele sunt reflectate de conductorii electrici și de anumite obstacole. Ca urmare, cu ajutorul antenelor speciale și al ghidurilor de microunde, acestea (microundele) pot fi concentrate în raze intense, care au o înalta capacitate de directionare. Microundele nu urmează curbura Pământului, și de aceea, atunci când sunt necesare transmisii pe distanțe mari, trebuie folosite relee de microunde sau, cu alte cuvinte, amplificatoare care captează semnalul, țl amplifică și apoi îl retransmit. În mod normal, amplificatoarele de microunde sunt poziționate la o distanță de aproximativ 50 km. Chiar conductorii de curent ai rețelei naționale de electricitate și stâlpii acestora pot vibra în rezonanță cu radiația de înaltă frecvență, acționând astfel ca amplificatorii care radiază din nou energia în mediu.

În anumite fabrici, puterea radiațiilor de microunde ajunge până la 1 milion de W. Industriile de ceramică, de producere a materialelor sintetice și de prelucrare a pielii folosesc, de asemenea, microundele în procesul de producție. În afară de aceste aplicații, microundele se mai folosesc și pentru uscarea baloturilor de stofă, a fructelor sau pentru sterilizarea alimentelor.

Oamenii absorb radiațiile de microunde care produc o încălzire anormală și nesănătoasă a corpului fizic. Posibilitatea apariției iminente a unor pericole, ca urmare a radiațiilor cu microunde, a determinat la începutul anilor ‘50 pe unii cercetători să traseze directive și norme cu privire la nivelurile intensității de radiație maxim acceptate.

În anul 1953, H.P. Schwan, de la Universitatea din Pennsylvania, a propus ca nivelul maxim admis de iradiere cu microunde a omului să se limiteze la o densitate medie de putere de 100 W/m2 sau, cu alte cuvinte, 10 mW/cm2. Propunerea lui Schwan, care era adresată U.S. Marine, rezultă dintr-un calcul conform căruia iradierea, prin forța ei de impact, nu ar trebui să mărească temperatura corpului cu mai mult de 1°C, deoarece se arată că densități ale puterii de 10 ori mai mari ar putea provoca omului, prin încălzire, probleme grave de sănătate. Institutul National American pentru Standarde (ANSI) a adoptat în 1966 această limita maxim-admisibilă pentru nivelul de radiație și, după aceea, numeroase țări vestice au adoptat standarde asemănötoare.

Din păcate, această limită maximală a iradierii, care mai este înca răspândită în majoritatea țărilor, nu a luat în considerație posibilitatea ca microundele să exercite și efecte atermale asupra sănătății. În principal în Europa, cercetătorii raportau, înca din anii '50, efecte aproape de neobservat la prima vedere, dar cu consecinte grave și de lungă durată chiar și în cazul unor valori mici ale intensității radiațiilor de microunde, efecte care nu provin direct în urma unei încălziri. Însă aceste rapoarte au fost trecute cu vederea, în cea mai mare parte, de către cercetătorii americani. 'În orice caz, scepticismul și bigotismul unora nu constituie un motiv suficient de puternic pentru stabilirea de norme', subliniau “eminenții” cercetători americani R. Bowers si J. Frey.

Este revelator faptul că în fosta Uniune Sovietică au fost luate în considerație și efectele atermice, din moment ce această țară a stabilit ca limita maximă de iradiere a densității medii de putere 10 microwatt/cm2 pe zi de lucru, prin urmare, o valoare de 1000 de ori mai mică decât valoarea impusă de Statele Unite ale Americii și de celelalte țări europene, printre care și Romania.

Un adversar înversunat al limitei inacceptabil de mari a nivelului de radiații din S.U.A. este profesorul S.M. Michaelson, de la Facultatea de Medicină a Universității Rochester. Cercetările profesorului Michaelson au fost sustinute de U.S. Air Force.

R. V. Becker și G. Selden arătau urmatoarele: “Există motive economice convingatoare pentru care valoarea maxim admisibilă a densității medii de putere stabilită la 100 Wati/m2 sau 10 mW/cm2 să fie apărată cu orice preț. O coborâre a valorii limită ar reduce extinderea folosirii militare a radarului și ar tăia profiturile firmelor care livrează aparatura corespunzătoare. O valoare limită coborâtă ar reprezenta, în ultima instanță, o veritabilă recunoaștere a faptului ca vechea valoare este periculoasă, iar acest fapt ar deschide drumul pentru nenumarate solicitări de compensare pentru daune, din partea foștilor lucrători din armată și industrie.

Efecte genetice

Efectele potentiale cele mai îngrijorătoare ale “smogului electronic” sunt totuși cele genetice, provocate de radiația de frecvență înaltă. În 1959, J.H. Heller și A.A. Teisceira Pinto au evidențiat pentru prima oară faptul ca microundele conduc la afectarea cromozomilor. Experimentele au fost făcute pe vârfuri de căței de usturoi, folosind impulsuri foarte scurte de radiație, care au dus la o componența termică minimală. Efectele observate au fost aproape identice cu acelea provocate de radiația ionizantă. Cercetările ulterioare, efectuate de Heller, au arătat ca radiații slabe de microunde puteau provoca mutații ale celulelor de mamifere și insecte. În anii '60 și '70, acesti cercetatori au arătat că în cazul bacteriilor din genul Proteus (bacterii în forma de bastonase, polimorfe), ADN-ul și ARN-ul lor absorb radiațiile de 65-75 GHz și ca microundele sunt în stare să perturbe mecanismele de reproducere la bacterii și chiar să provoace mutații ale genelor. În aceeași perioadă, S. Baranski și colaboratorii săi au arătat că în celule umane expuse la microunde de 3GHz, de intensități mai joase decât granița acceptată ca sigură, de 10 mW/cm2, au loc vătămări ale cromozomilor.

O grija suplimentară este provocată de felurile de mâncare pregătite special pentru cuptoarele cu microunde și care pot fi preparate chiar de copii, unii dintre acesti mici bucătari neavând mai mult de 5-6 ani. În timp ce piața ce pregătește felurile de mâncare pentru copii, preparate la cuptoarele cu microunde, realizează profituri de peste 100 milioane dolari pe an, costurile pentru sănătate care se nasc de aici se ridică la mult mai mult. A expune copiii aflați înca în creștere, chiar și la niveluri reduse de radiații care provin din imperfecțiunile cuptoarelor, constituie totuși un risc mult prea mare. În plus, nu sunt cunoscute riscurile consumării îndelungate de către copii și chiar de către oamenii maturi, a alimentelor preparate cu microunde, iar acest fapt poate duce la o altă catastrofă a sănătății, în numele creșterii economice și al gândirii comerciale oarbe.

Având în vedere variabilele necunoscute din acest domeniu, considerăm că părinții ar trebui să-și impiedice copiii (și să evite chiar ăi ei însisi) să folosească cuptoarele cu microunde, alimentele supuse microundelor, și mai ales radiotelefoanele mobile.

VII. Aplicații

Încălzirea prin inducție

Încălzirea prin inducție este un proces de încălzire la care pentru încălzirea unui material feromagnetic utiliză câmpul electromagnetic.

Căldura generată în conductor este datorită curentilor Eddy care se induc în materialul feromagnetic.

În cel mai simplu caz un încălzitor prin inducție este compus dintr-o bobină prin care trece un curent alternativ de mare frecvență și un modul de alimentare a bobinei. Acest curent de mare frecvență generează un câmp magnetic de mare frecvență care cauzează încălzirea materialului prin efectul Joule.

În cazul încălzirii prin inducție căldura este generată în interiorul obiectului, care nu trebuie să fie în contact cu o sursă de căldură radiantă. Astfel se poate obține o încălzire a materialului mai rapidă. Din acest motiv, această metodă de încălzire este destul de preferat, deoarece nu este nevoie de utilizarea unor surse de căldura cu foc deschis (de obiciei cuptoare), care poate fi periculoase, dăunătoare pentru mediu.

Un încălzitor cu inducție este construit dintr-un oscilator LC și un circuit de comandă.

Fig. 1 – Curentul prin bobină, câmpul magnetic și curentul prin material

În figura 1 avem prezentate curenții și câmpul magnetic indus. Curentul care trece prin bobină (CURRENT IN COIL) crează un câmp magnetic (MAGNETIC FIELD) cu un anumit sens care induce în material un curent (INDUCED CURRENT IN WORKPIECE) cu sens opus celui din bobină. Prin schimbarea repetată a sensurilor curenților în bobină obtinem schimbarea curentilor și în materialul feromagnetic, care prin agitarea electronilor în structura s-a atomică duce la apariția unui efect termic.

Inductorul datorită densității mari de curent (până la 600A/) se confecționează, de regulă, din țevi de cupru cu secțiuni de diferite profile, prin care se circula apă de răcire.

Pentru o călire superficială, alimentarea se face la frecvențe medii (2500 sau 8000Hz) sau înalte (70…500kHz), au una sau mai multe spire și o formă adecvată pieselor ce se tratează.

Pentru o încălzire în profunzime, inductorul are spirele izolate electric una față de alta și termic, față de piesele de încălzit, a căror temperatură poate să atingă 1200.

Inductoarele cuptoarelor

Relația frecvenței de rezonanță:

fr – frecvența de rezonanță în Hz

C – capacitatea în Farad

L – inductanța în Henry

Inductanța bobinei:

L – inductanța în Henry

– permeabilitatea aerului liber ( )

N – numărul spirelor

l – lungimea bobinei

A – suprafața spațiului din interior în ( )

Partea experimentală

Fig. 2 – Schema circuitului: V1 – sursa de alimentare; circuitul de comutație alcătuit din rezistorii R1, R2, diodele D1, D2 și fet-urile Q1, Q2; circiutul de rezonanță alcătuit din bobina L1 și condensatorii C1, C2

Fig. 3 – Simularea circuitului în programul Multisim

Dimensiunea bobinei L1: lungime 30mm, diametru 12mm, 15 spire, conductor 1.2

Dimensiunea bobinelor L2, L3: 6 spire, conductor 1.2 , pe inel de ferită

Condensatoare C1, C2: 330nF / 250V tip folie

Diodele D1, D2: 1N4007

FET-urile Q1, Q2: IRF540

Rezistorii R1, R2: 220Ω / 1/4W

Aplicând relațiile de mai sus obținem următoarele valori:

Inductanța bobinei:

r=5mm

H

Frecvența de rezonanță:

Fig. 3 – Cablajul realizat pentru schema din figura 2

Prototipul realizat din componente la îndemână, funcțional:

Circuitul realizat practic:

Dimensiune material: diametru 5mm, lungime 100mm

1 – Materialul încalzit

În experiment s-a folosit o sursă de tensiune de 13.8V / 8A.

Metalul nu s-a introdus complet în bobină din cauza că introducând un material feromagnetic se schimbă frecvența de rezonanță și crește valoarea curentului în timpul funcționării.

Curentul la mersul în gol este între 1.6-1.8A.

2 – Introdus doar vârful materialului

3 – Înroșit după aproximativ 4 secunde

4 – Introdus la ¼ în bobină

5 – Înroșit după aproximativ 6 secunde

6 – Introdus la jumătatea bobinei

7 – Înrosit după aproximativ 9 secunde

8 – Introdus până la jumatate în bobină

9 – Înroșit după aproximativ 14 secunde

VIII. Concluzii

În concluzie incalzire prin inductie ete o modalitate practica pentru incalzirea materialelor. Ca și fiecare modalitate, și aceasta are avantajele și dezavantajele sale specifice.

Avantaje:

-rapiditate

-randament ridicat

-se pot încălzi doar anumite părți ale materialui

-găbărit redus

Dezavantaje:

-costuri ridicate

-se pot încalzi doar materiale feromagnetice

De exemplu la o mașină care are rolul de a îndoi niște bare de oțel, se încălzește materialul ce vine să fie îndoit.

De obiciei se folosesc niște cuptoare cu gaze pentru încălzirea materialului. Acestea au dimensiuni mari și degajă multă căldură spre exterior.

Cu un încălzitor cu inducție încălzirea se poate realiza doar local și mult mai rapid.

Bibliografie:

http://instalatii.utcb.ro/fizica/Curs%20UIS_semII.pdf

http://www.emie.ugal.ro/ee/cap.2_final_07.02.07.pdf

http://www.physics.pub.ro/Cursuri/Cursuri.htm

https://ro.wikipedia.org/wiki/Spectru_electromagnetic

http://www.fortasigratie.ro/realitati-contemporane/unde-apa-sunet-lumina.htm

http://www.scritub.com/tehnica-mecanica/Impactul-undelor-electromagnet65333.php

http://schemaelectrica.blogspot.ro/2015/07/despre-microunde.html

Electrotehnica de la a la z, Editura Stiintifica si Enciclopedica, Bucuresti, 1985

https://www.instructables.com/id/Powerful-yet-simple-induction-heater/

http://www.duolin.com/induction_heating/

https://www.electronics-tutorials.ws/inductor/inductance.html