Campo magnetoquasistático - Magnetoquasistatic field

Um campo magnetoquasistático é uma classe de campo eletromagnético em que um campo magnético de oscilação lenta é dominante. Um campo magnetoquasistático é normalmente gerado por indução de baixa frequência de um dipolo magnético ou um loop de corrente. O campo magnético próximo de tal emissor se comporta de maneira diferente da radiação eletromagnética de campo distante mais comumente usada . Em baixas frequências, a taxa de variação da intensidade do campo instantâneo com cada ciclo é relativamente lenta, dando origem ao nome "magneto-quasistático". O campo próximo ou região quasistática normalmente se estende não mais do que um comprimento de onda da antena e, dentro desta região, os campos elétrico e magnético são aproximadamente desacoplados.

Corpos não magnéticos fracamente condutores, incluindo o corpo humano e muitas rochas minerais, são efetivamente transparentes aos campos magnetoquasistáticos, permitindo a transmissão e recepção de sinais através de tais obstáculos. Além disso, os sinais de comprimento de onda longo (ou seja, de baixa frequência) são mais capazes de se propagar nos cantos arredondados do que os sinais de onda mais curta. A comunicação, portanto, não precisa ser uma linha de visão.

A faixa de comunicação de tais sinais depende do comprimento de onda e das propriedades eletromagnéticas do meio interveniente na frequência escolhida e é normalmente limitada a algumas dezenas de metros.

Princípios físicos

As leis de interesse primário são a lei circuital de Ampère (com a densidade de corrente de deslocamento desprezada) e a lei de continuidade do fluxo magnético. Essas leis têm associado a elas condições de continuidade nas interfaces. Na ausência de materiais magnetizáveis, essas leis determinam a intensidade do campo magnético H dada sua fonte, a densidade de corrente J. H não é irrotacional em todos os lugares. No entanto, é solenóide em todos os lugares.

Projeto de equipamento

Uma antena típica compreende uma bobina de 50 voltas em torno de um tubo de polioximetileno com 16,5 cm de diâmetro, acionado por um circuito oscilador classe E. Esse dispositivo é facilmente portátil quando alimentado por baterias. Da mesma forma, um receptor típico consiste em um loop de recepção ativo com diâmetro de um metro, um amplificador de ultra-baixo ruído e um filtro passa-banda .

Em operação, o oscilador conduz a corrente através do circuito de transmissão para criar um campo magnético oscilante. Este campo induz uma voltagem no loop de recepção, que é então amplificada.

Como a região quasistática é definida dentro de um comprimento de onda da fonte eletromagnética, os emissores são limitados a uma faixa de frequência entre cerca de 1 kHz e 1 MHz. Reduzir a frequência de oscilação aumenta o comprimento de onda e, portanto, a faixa da região quasistática, mas reduz a voltagem induzida nos loops de recepção, o que piora a relação sinal-ruído. Em experimentos realizados pelo Carnegie Institute of Technology, o alcance máximo relatado por foi de 50 metros.

Formulários

Acoplamento indutivo ressonante

Artigo principal: Acoplamento indutivo ressonante

No acoplamento ressonante, a fonte e o receptor são ajustados para ressoar na mesma frequência e recebem impedâncias semelhantes. Isso permite que tanto a energia como as informações fluam da fonte para o receptor. Tal acoplamento por meio do campo magnetoquasistático é chamado de acoplamento indutivo ressonante e pode ser usado para transferência de energia sem fio .

As aplicações incluem cozimento por indução , carregamento por indução de baterias e alguns tipos de etiqueta RFID .

Comunicações

Os sinais convencionais de comunicação eletromagnética não podem passar pelo solo. A maioria das rochas minerais não é nem eletricamente condutora nem magnética, permitindo a penetração de campos magnéticos. Os sistemas magnetoquasistáticos têm sido usados ​​com sucesso para comunicação sem fio subterrânea, tanto de superfície a subterrânea quanto entre grupos subterrâneos.

Em frequências extremamente baixas, abaixo de cerca de 1 kHz, o comprimento de onda é longo o suficiente para comunicação de longa distância, embora em uma taxa de dados lenta. Tais sistemas foram instalados em submarinos, com a antena local composta por um fio de vários quilômetros de comprimento e arrastada atrás do navio quando na superfície ou próximo a ela.

Rastreamento de posição e orientação

O rastreamento de posição sem fio está sendo cada vez mais usado em aplicações como navegação, segurança e rastreamento de ativos. Dispositivos convencionais de rastreamento de posição usam altas frequências ou microondas, incluindo sistemas de posicionamento global (GPS), sistemas de banda ultralarga (UWB) e sistemas de identificação por radiofrequência (RFID), mas esses sistemas podem ser facilmente bloqueados por obstáculos em seu caminho. O posicionamento magnetoquasistático aproveita o fato de que os campos não são perturbados quando na presença de seres humanos e estruturas físicas, e pode ser usado para rastreamento de posição e orientação em alcances de até 50 metros.

Para determinar com precisão a orientação e a posição de um dipolo / emissor, deve-se levar em consideração não só o padrão de campo gerado pelo emissor, mas também as correntes parasitas que induzem na terra, que criam campos secundários detectáveis ​​pelos receptores. Usando a teoria da imagem complexa para corrigir esta geração de campo da terra, e usando frequências da ordem de algumas centenas de quilohertz para obter a relação sinal-ruído (SNR) necessária, é possível analisar a posição do dipolo através orientação azimutal , e orientação de inclinação ,.

Uma equipe de pesquisa da Disney usou essa tecnologia para determinar com eficácia a posição e a orientação de um futebol americano, algo não rastreável por meio de técnicas convencionais de propagação de ondas devido à obstrução do corpo humano. Eles inseriram uma bobina acionada por oscilador, em torno do diâmetro do centro da bola, para gerar o campo magnetoquasistático. O sinal foi capaz de passar sem ser perturbado por vários jogadores.

Referências

Notas

Bibliografia