Pulso Eletromagnético (PEM) - UFABC

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    26-Dec-2015

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Fisica

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  • BC 1317: Fenmenos Ondulatrios, UFABC (2011.3)

    Pulso Eletromagntico (PEM)

    ERIC RAMOS FLAMINO Universidade Federal do ABC (UFABC), 09210-170, Santo Andr, SP, Brasil

    Resumo: O PEM (Pulso Eletromagntico) um fenmeno fsico decorrente de exploses nucleares ou proveniente de grandes correntes eltricas. Seus efeitos em equipamentos eletroeletrnicos so devastadores, causando mal funcionamento, ou queima total. O PEM tem aplicaes militares e industriais. Existem formas de proteo contra seus efeitos como por exemplo a blindagem segundo Gaiola de Faraday. Palavras-chave: Pulso Eletromagntico, PEM, EMP.

    1 Introduo

    1.1 Contexto Histrico

    O efeito PEM ganhou ateno especial em meados de 1950, durante testes nucleares na atmosfera terrestre, atribuindo a estes testes, o mal funcionamento e at a queima total de equipamentos eltricos na ocasio. Aps vrios estudos, em meados de 1960 percebeu-se a vulnerabilidade de equipamentos eltricos, tanto civis como militares ao efeito PEM. Logo se percebeu que o efeito PEM poderia ser usado para detectar exploses nucleares, mesmo que a longas distncias. Por essas razes, houve grandes esforos tericos e experimentais para se estudar o PEM e seus efeitos. Em 1962 houveram testes, tanto acima como abaixo do solo, sendo que mesmo nos testes subterrneos, o PEM foi observado. Entretanto, a intensidade, durao e a rea afetada variavam consideravelmente dependendo do local da exploso. Para exploses localizadas prximo a superfcie, fortes campos eltricos concentram-se perto do local da exploso, j para as exploses em altas altitudes, o campo eltrico torna-se forte o suficiente

    para afetar equipamentos eltricos em uma rea muito maior. Posteriormente, desenvolveram-se simuladores no nucleares para estudos tericos e experimentais do efeito PEM.

    Figura 1.1 Instalao de simulao PEM

    1.2 O PEM e suas caractersticas Fsicas

    O PEM nuclear uma radiao eletromagntica que cresce extremamente rpido a um pico, e decai um pouco mais devagar. Essa radiao possui um amplo espectro de freqncias, variando de freqncias muito baixas at centenas de megahertz, mas principalmente na freqncia de rdio (grande comprimento de onda), alm disso, a amplitude da onda (intensidade) da radiao varia muito nessa faixa de freqncia.

  • 1.3 Gerando o campo eltrico

    Os raios gama gerados da reao nuclear na exploso, interagem com as molculas de ar e tomos, principalmente pelo efeito Compton, e produzem uma regio ionizada nas proximidades da exploso, que chamada deposition region (regio de deposio).

    Figura 1.2 Efeito Compton

    Os eltrons negativamente carregados se movem muito mais rpido do que os ons com carga positiva e mais pesados, isso gera uma separao das cargas, e essa separao gera um campo eltrico que atinge seu valor mximo na casa de 10 segundos.

    Figura 1.3 - Representao simplificada da

    ionizao atmosfrica

    Na representao das figuras 1.3 e 1.4, temos um caso ideal, totalmente simtrico, onde os raios gama se dispersam uniformemente em todas as direes, o campo eltrico radial e uniforme, com simetria esfrica, conseqentemente no havendo corrente eltrica.

    Tal situao no ocorre na realidade, as diferenas de densidade do ar, e at mesmo a no uniformidade da exploso culminam por resultar um fenmeno assimtrico, devido a este fato, aparece uma corrente eltrica resultante na vertical. O fato de essa corrente variar no tempo resulta na emisso de um pequeno pulso de radiao eletromagntica, que mais forte em direes perpendiculares a essa corrente, e esse fenmeno o prprio PEM (figura 1.5).

    Figura 1.4 Representao da situao

    ideal

    Figura 1.5 Representao da situao

    real

    Mesmo durando um perodo infinitesimal, o PEM carrega consigo uma quantidade considervel de energia. Ele viaja a partir do ponto da exploso na velocidade da luz, assim como todas as ondas eletromagnticas, e essa radiao absorvida por todos materiais metlicos e condutores a distncia, assim como as ondas de rdio so captadas por antenas. A energia do PEM ento convertida em fortes correntes eltricas e altas voltagens.

  • A base para esse fenmeno est na Lei de Faraday, pois a corrente gerada na exploso nada mais do que carga em movimento, e cargas em movimento geram campos magnticos, e campos magnticos variveis induzem correntes eltricas.

    Figura 1.6 Representao da Lei de

    Faraday

    Essas correntes induzidas pelo PEM so responsveis pelo mal funcionamento dos equipamentos eletro-eletrnicos, que podem ser danificados permanentemente. A figura 1.6, mostra o pulso de corrente induzida pelo PEM em uma linha de transmisso eltrica de grande comprimento.

    Figura 1.7 Corrente induzida pelo PEM

    em uma linha de transmisso (Quilo

    Ampere x microssegundos)

    2 PEM e suas Tecnologias

    2.1 Dispositivos PEM no nucleares

    O PEM, embora seja um efeito intrnseco uma exploso nuclear, ele no um efeito exclusivo desses fenmenos. Qualquer dispositivo que seja capaz de gerar uma corrente eltrica varivel no tempo, gerar um PEM, mesmo que de intensidade insignificante. O PEM no somente utilizado para fins militares, pode ser aplicado na indstria. 2.1.1 Bombas PEM

    As bombas PEM, atravs de explosivos inseridos em um forte campo magntico, tm a capacidade de potencializar o campo magntico de entrada, gerando um PEM. Elas no tem um grande poder como as nucleares, mas afetam reas mais prximas e especficas. A seguir, um exemplo simplificado de arquitetura de uma bomba de PEM no nuclear.

    Figura 2.1 Bomba PEM no nuclear [4] A bomba consiste em um cilindro metlico (chamado de armadura) envolvido por uma bobina de fios (o estator). O cilindro do induzido preenchido com explosivos de alta potncia e todo o dispositivo est alojado dentro de um robusto invlucro. O enrolamento do estator e o cilindro do induzido so separados por um espao vazio. A bomba possui ainda uma fonte de energia, como um banco de capacitores, que pode ser ligada ao estator.

  • A sucesso de eventos abaixo descreve o que acontece quando a bomba detonada: 1 Um contato liga os capacitores ao

    estator fazendo passar uma corrente eltrica atravs dos fios, gerando assim um campo magntico de alta intensidade;

    2 Um mecanismo de espoleta detona o material inflamvel, deflagrando uma exploso que viaja como uma onda pela parte central do cilindro do induzido;

    3 medida que a exploso percorre seu caminho pelo cilindro, este entra em contato com o enrolamento, criando um curto-circuito que isola o estator de sua fonte de energia.

    4 medida que se move, o curto-circuito comprime o campo magntico, gerando assim uma intensa onda eletromagntica.

    Figura 2.2 Processo de detonao da

    bomba

    2.2 Pulsos Eletromagnticos para cortar e

    furar ao

    Essa tcnica, criada por engenheiros alemes, utiliza campos eletromagnticos para cortar e furar ao. Tem seu foco na indstria de estamparia de metais, em especial na automobilstica, e se mostra at sete vezes mais eficiente que o corte a laser, e no deixa rebarbas. O equipamento que realiza o furo consiste em uma bobina, capacitor, dispositivo de carregamento do capacitor e uma chave de alta corrente. Quando a chave se abre, os capacitores descarregam toda a sua energia atravs da bobina, em uma questo de microssegundos, produzindo uma alta corrente, que ao passar pela bobina, gera um campo magntico intenso, exercendo presso na chapa de at 350MPa (mega Pascal), equivalente ao peso de trs carros pequenos concentrado em uma rea equivalente a ponta de um dedo .

    Figura 2.3 Furao Eletromagntica

    2.3 Formas de proteo dos efeitos PEM

    As formas mais eficientes de proteo contra o PEM, so baseadas em blindagem eletromagntica, ou Gaiola de Faraday, ou seja, inserir o equipamento que se deseja proteger em uma superfcie condutora simtrica, que segundo o principio da Gaiola de Faraday, ao ser atingida por um campo eletromagntico, as cargas se distribuiro simetricamente nessa superfcie, assim, anulando o campo

  • eltrico interno. Outras formas consistem em proteo de curto circuito em caso de sobre-correntes, e at equipamentos mais resistentes retrocedendo no tempo e aplicando as antigas eletro vlvulas, componentes que no so to sensveis quanto os microchips a base de semicondutores.

    Figura 2.4 Gaiola de Faraday

    Figura 2.5 - Eletro vlvulas

    3 Concluso

    O conhecimento do PEM e seus efeitos, e tambm as formas de proteo, so de extrema importncia na sociedade atual, que totalmente dependente de seus dispositivos eletroeletrnicos. necessrio tomar conscincia da atual vulnerabilidade de nossos sistemas, os quais, se falharem, podem no s causar desconforto, mas colocar vidas em risco. sem dvida, de interesse cientfico, situar o PEM nas principais Leis e teorias Fsicas como feito nesse artigo, pois assim, ele poder cada vez mais ser pesquisado e sistematizado, de forma a ter suas tecnologias de gerao e proteo de seus efeitos aperfeioadas, bem como, criao de novas aplicaes na indstria e na cincia.

    Referncias:

    [1]http://www.fourmilab.ch/etexts/www/effects/eonw_11.pdf [2]http://www.mspc.eng.br/elemag/topDiv121.shtml [3]http://mauditos.wordpress.com/2009/04/27/a-tecnologia-de-2009-na-f1/ [4]http://ciencia.hsw.uol.com.br/bombas-eletromagneticas3.htm [5]http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=pulsos-eletromagneticos-usados-cortar-furar-aco