BC 1317: Fenômenos Ondulatórios, UFABC (2011.3)

Pulso Eletromagnético (PEM)

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

Resumo: O PEM (Pulso Eletromagnético) é um fenômeno físico decorrente de explosões nucleares ou proveniente de grandes correntes elétricas. Seus efeitos em equipamentos eletroeletrônicos são devastadores, causando mal funcionamento, ou queima total. O PEM tem aplicações militares e industriais. Existem formas de proteção contra seus efeitos como por exemplo a blindagem segundo Gaiola de Faraday. Palavras-chave: Pulso Eletromagnético, PEM, EMP.

1 Introdução

1.1 Contexto Histórico

O efeito PEM ganhou atenção especial em meados de 1950, durante testes nucleares na atmosfera terrestre, atribuindo a estes testes, o mal funcionamento e até a queima total de equipamentos elétricos na ocasião. Após vários estudos, em meados de 1960 percebeu-se a vulnerabilidade de equipamentos elétricos, tanto civis como militares ao efeito PEM. Logo se percebeu que o efeito PEM poderia ser usado para detectar explosões nucleares, mesmo que a longas distâncias. Por essas razões, houve grandes esforços teóricos 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 subterrâneos, o PEM foi observado. Entretanto, a intensidade, duração e a área afetada variavam consideravelmente dependendo do local da explosão. Para explosões localizadas próximo a superfície, fortes campos elétricos concentram-se perto do local da explosão, já para as explosões em altas altitudes, o campo elétrico torna-se forte o suficiente

para afetar equipamentos elétricos em uma área muito maior. Posteriormente, desenvolveram-se simuladores não nucleares para estudos teóricos e experimentais do efeito PEM.

Figura 1.1 – Instalação de simulação PEM

1.2 O PEM e suas características Físicas

O PEM nuclear é uma radiação eletromagnética que cresce extremamente rápido a um pico, e decai um pouco mais devagar. Essa radiação possui um amplo espectro de freqüências, variando de freqüências muito baixas até centenas de megahertz, mas principalmente na freqüência de rádio (grande comprimento de onda), além disso, a amplitude da onda (intensidade) da radiação varia muito nessa faixa de freqüência.

1.3 Gerando o campo elétrico

Os raios gama gerados da reação nuclear na explosão, interagem com as moléculas de ar e átomos, principalmente pelo efeito Compton, e produzem uma região ionizada nas proximidades da explosão, que é chamada “deposition region” (região de deposição).

Figura 1.2 – Efeito Compton

Os elétrons negativamente carregados se movem muito mais rápido do que os íons com carga positiva e mais pesados, isso gera uma separação das cargas, e essa separação gera um campo elétrico que atinge seu valor máximo na casa de 10�� segundos.

Figura 1.3 - Representação simplificada da

ionização atmosférica

Na representação das figuras 1.3 e 1.4, temos um caso ideal, totalmente simétrico, onde os raios gama se dispersam uniformemente em todas as direções, é o campo elétrico é radial e uniforme, com simetria esférica, conseqüentemente não havendo corrente elétrica.

Tal situação não ocorre na realidade, as diferenças de densidade do ar, e até mesmo a não uniformidade da explosão culminam por resultar um fenômeno assimétrico, devido a este fato, aparece uma corrente elétrica resultante na vertical. O fato de essa corrente variar no tempo resulta na emissão de um pequeno pulso de radiação eletromagnética, que é mais forte em direções perpendiculares a essa corrente, e esse fenômeno é o próprio PEM (figura 1.5).

Figura 1.4 – Representação da situação

ideal

Figura 1.5 – Representação da situação

real

Mesmo durando um período infinitesimal, o PEM carrega consigo uma quantidade considerável de energia. Ele viaja a partir do ponto da explosão na velocidade da luz, assim como todas as ondas eletromagnéticas, e essa radiação é absorvida por todos materiais metálicos e condutores a distância, assim como as ondas de rádio são captadas por antenas. A energia do PEM é então convertida em fortes correntes elétricas e altas voltagens.

A base para esse fenômeno está na Lei de Faraday, pois a corrente gerada na explosão nada mais é do que carga em movimento, e cargas em movimento geram campos magnéticos, e campos magnéticos variáveis induzem correntes elétricas.

Figura 1.6 – Representação da Lei de

Faraday

Essas correntes induzidas pelo PEM são responsáveis pelo mal funcionamento dos equipamentos eletro-eletrônicos, que podem ser danificados permanentemente. A figura 1.6, mostra o pulso de corrente induzida pelo PEM em uma linha de transmissão elétrica de grande comprimento.

Figura 1.7 – Corrente induzida pelo PEM

em uma linha de transmissão (Quilo

Ampere x microssegundos)

2 PEM e suas Tecnologias

2.1 Dispositivos PEM – não nucleares

O PEM, embora seja um efeito intrínseco à uma explosão nuclear, ele não é um efeito exclusivo desses fenômenos. Qualquer dispositivo que seja capaz de gerar uma corrente elétrica variável no tempo, gerará um PEM, mesmo que de intensidade insignificante. O PEM não é somente utilizado para fins militares, pode ser aplicado na indústria. 2.1.1 Bombas PEM

As bombas PEM, através de explosivos inseridos em um forte campo magnético, têm a capacidade de potencializar o campo magnético de entrada, gerando um PEM. Elas não tem um grande poder como as nucleares, mas afetam áreas mais próximas e específicas. A seguir, um exemplo simplificado de arquitetura de uma bomba de PEM não nuclear.

Figura 2.1 – Bomba PEM não nuclear [4] “A bomba consiste em um cilindro metálico (chamado de armadura) envolvido por uma bobina de fios (o estator). O cilindro do induzido é preenchido com explosivos de alta potência e todo o dispositivo está alojado dentro de um robusto invólucro. O enrolamento do estator e o cilindro do induzido são separados por um espaço vazio. A bomba possui ainda uma fonte de energia, como um banco de capacitores, que pode ser ligada ao estator.

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

estator fazendo passar uma corrente elétrica através dos fios, gerando assim um campo magnético de alta intensidade;

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

3 À medida que a explosão 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 À medida que se move, o curto-circuito comprime o campo magnético, gerando assim uma intensa onda eletromagnética”.

Figura 2.2 – Processo de detonação da

bomba

2.2 Pulsos Eletromagnéticos para cortar e

furar aço

Essa técnica, criada por engenheiros alemães, utiliza campos eletromagnéticos para cortar e furar aço. Tem seu foco na indústria de estamparia de metais, em especial na automobilística, e se mostra até sete vezes mais eficiente que o corte a laser, e não 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 através da bobina, em uma questão de microssegundos, produzindo uma alta corrente, que ao passar pela bobina, gera um campo magnético intenso, exercendo pressão na chapa de até 350MPa (mega Pascal), equivalente ao peso de três carros pequenos concentrado em uma área equivalente a ponta de um dedo .

Figura 2.3 – Furação Eletromagnética

2.3 Formas de proteção dos efeitos PEM

As formas mais eficientes de proteção contra o PEM, são baseadas em blindagem eletromagnética, ou Gaiola de Faraday, ou seja, inserir o equipamento que se deseja proteger em uma superfície condutora simétrica, que segundo o principio da Gaiola de Faraday, ao ser atingida por um campo eletromagnético, as cargas se distribuirão simetricamente nessa superfície, assim, anulando o campo

elétrico interno. Outras formas consistem em proteção de curto circuito em caso de sobre-correntes, e até equipamentos mais resistentes retrocedendo no tempo e aplicando as antigas eletro válvulas, componentes que não são tão sensíveis quanto os microchips a base de semicondutores.

Figura 2.4 – Gaiola de Faraday

Figura 2.5 - Eletro válvulas

3 Conclusão

O conhecimento do PEM e seus efeitos, e também as formas de proteção, são de extrema importância na sociedade atual, que é totalmente dependente de seus dispositivos eletroeletrônicos. É necessário tomar consciência da atual vulnerabilidade de nossos sistemas, os quais, se falharem, podem não só causar desconforto, mas colocar vidas em risco. É sem dúvida, de interesse científico, situar o PEM nas principais Leis e teorias Físicas como feito nesse artigo, pois assim, ele poderá cada vez mais ser pesquisado e sistematizado, de forma a ter suas tecnologias de geração e proteção de seus efeitos aperfeiçoadas, bem como, criação de novas aplicações na indústria e na ciência.

Referências:

[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