Trabalho de Eletromagnetismo

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<p>INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA</p><p>FLUMINENSE</p><p>ALAN OLIVEIRA</p><p>IAGO MARTINS</p><p>Transmissão de Energia Sem Fio</p><p>(Wireless Power Transmission)</p><p>CAMPOS DOS GOYTACAZES - RJ</p><p>2024</p><p>SUMÁRIO</p><p>1. Introdução.............................................................................................. 3</p><p>2. Objetivo ................................................................................................. 4</p><p>3. Tipos de Transmissão............................................................................ 4</p><p>3.1 Transmissão por campo distante (far-field).................................................. 5</p><p>3.2 Transmissão por campo próximo (near-field)................................................ 6</p><p>3.2.1 Indução eletromagnética....................................................................................... 6</p><p>3.2.2 Acoplamento indutivo ressonante.......................................................................... 7</p><p>4. Efeitos Biológicos da Radiação Eletromagnética.................................. 9</p><p>5. Vantagens da WPT.................................................................................... 11</p><p>6. Desafios da WPT.................................................................................. 12</p><p>7. Aplicações práticas da WPT................................................................. 13</p><p>8. Conclusão..................................................................................................... 15</p><p>1. Introdução</p><p>O uso da tecnologia de transmissão de energia sem fio (WPT – Wireless Power Transfer) é de grande ajuda em aplicações onde o uso dos fios ocupa espaço em demasia, é considerado inconveniente, ou é impraticável. A WPT pode ser encontrada atualmente aplicada em diversos campos, incluindo sistemas aeroespaciais, máquinas elétricas, dispositivos médicos implantáveis, entre outros (Zhu et al, 2015).</p><p>Segundo Jacobs (2010), A utilização dessa tecnologia proporciona grandes vantagens principalmente nas aplicações em que o aparelho eletrônico requer maior mobilidade, como na indústria de smartphones e nos aparelhos chamados de gadgets</p><p>(dispositivos eletrônicos portáteis) – fones de ouvido, relógios inteligentes, caixas de som portáteis etc.</p><p>A distância entre transmissor e receptor tem sido o grande obstáculo para a aplicação da transmissão de energia sem fio, pois quanto maior a distância, menor a eficiência na transmissão de potência. Segundo WEI, (2014) a utilização do WPT vem ganhando um espaço maior no mercado competitivo devido ao desenvolvimento da eletrônica de potência e do crescimento de pesquisas na área nos últimos anos.</p><p>Atualmente, alguns fabricantes de smartphones já lançaram seus próprios carregadores por indução. A Samsung, por exemplo, possui seu próprio carregador sem fio e está desenvolvendo um novo modelo de carregador habilitado para alimentar até dois aparelhos ao mesmo tempo (SILVA, 2018). Segundo AHIRE, (2017) existem também aplicações nas áreas industrial, automobilística e biomédica. Exemplos de aplicabilidade na área da saúde seriam os implantes biomédicos – marca-passos cardíacos, próteses de retina, implantes cocleares, desfibriladores, implantes ortopédicos inteligentes, corações artificiais, entre outros. A tecnologia WPT é fundamental para o perfeito funcionamento desses implantes.</p><p>2. Objetivo</p><p>Este trabalho tem como objetivo principal realizar uma análise abrangente e detalhada sobre a transmissão de energia sem fio, para alcançar esse objetivo, serão abordados os seguintes aspectos:</p><p>· Exploração dos Fundamentos Teóricos: Uma revisão dos princípios fundamentais que regem a transmissão de energia sem fio será realizada, com ênfase nos conceitos de indução eletromagnética, ressonância magnética e outras teorias relevantes.</p><p>· Análise das Tecnologias Disponíveis: Será realizada uma investigação das diversas tecnologias atualmente empregadas na transmissão de energia sem fio. Serão examinadas suas características, vantagens, desvantagens e aplicabilidades.</p><p>· Exploração das Aplicações Práticas: O trabalho irá destacar as inúmeras aplicações da transmissão de energia sem fio em diferentes setores, como eletrônicos de consumo, saúde, indústria e automotivo.</p><p>3.Tipos de transmissão</p><p>Diversos métodos podem ser utilizados a fim de alcançar a transmissão de energia sem fio. As tecnologias existentes se subdividem em duas classificações: 17near-field (campo próximo) ou far-field (campo-distante). Cada uma possui suas características específicas, seus benefícios e suas desvantagens.</p><p>As técnicas classificadas como near-field abrangem os métodos que utilizam acoplamento indutivo, acoplamento indutivo ressonante e suas diversas variações. Para o grupo das técnicas far-field pode-se destacar os métodos radioativos, microondas e laser. A Figura 1 mostra algumas das variações para cada tipo de tecnologia utilizada. De acordo com RHODES (2017), as técnicas mais utilizadas são o microondas, a indução eletromagnética e o acoplamento indutivo ressonante.</p><p>Figura 1 - Tipos de transmissão de energia sem fio (WPT).</p><p>Fonte: https://periodicos.unis.edu.br/index.php/mythos/article/view/567/394</p><p>3.1 Transmissão por campo distante (far-field)</p><p>As micro-ondas englobam rádios e satélites para GPS (Global Positioning System) e radares. Sua principalmente aplicabilidade é no ramo das telecomunicações, entretanto, também podem ser encontradas em aparelhos que utilizam o princípio do aquecimento dielétrico, que é o caso do forno de micro-ondas, por exemplo.</p><p>De acordo com Hunsicker (2009), a ideia de utilizar as micro-ondas para WPT surgiu pela primeira vez em 1968, através da coleta de energia solar do espaço para enviar a Terra, utilizando conversores instalados em satélites e grandes antenas planas (chamadas de rectennas) conversoras de energia eletromagnética em eletricidade de corrente contínua.</p><p>Apesar de promissora para algumas aplicações específicas, o uso das microondas não é considerado adequado em casos de curta e média distância devido à baixa eficiência de conversão. Além desse ponto, questões como a segurança da utilização de energias radioativas de alta frequência são constantemente abordadas.</p><p>3.2 Transmissão por campo próximo (near-field)</p><p>A tecnologia de Near Field Communication (NFC) é uma forma de transmissão de dados e energia sem fio que opera em distâncias curtas, geralmente dentro de alguns centímetros. O acoplamento indutivo e ressonante são conceitos-chave nesse tipo de tecnologia.</p><p>3.2.1 Indução eletromagnética</p><p>A lei de Faraday-Lenz descreve o surgimento de corrente elétrica através de um campo magnético, isso ocorre devido a força eletromotriz (fem) produzida pelos condutores elétricos em movimento no campo magnético variante no tempo. “ Um condutor retilíneo se desloca em um campo magnético de forma a cruzar linhas de campo, uma tensão é induzida através do condutor, quanto maior as linhas de campo cruzadas por unidade de tempo, ou quanto maior a força do campo magnético maior a tensão induzida através do condutor” (BOYLESTAD, p.339).</p><p>Equação 1- Lei de Faraday</p><p>Fem = Força eletromotriz; t= tempo; Φ = Fluxo magnético</p><p>​</p><p>Desse estudo, James Clerk Maxwell escreveu equações notórias que são aplicadas nos transformadores elétricos, geradores, motores e máquinas de indução em geral, a equação desenvolvida consiste em:</p><p>Equação 2- Lei de Faraday (forma diferencial)</p><p>∇= operador; E= campo elétrico; B= campo magnético</p><p>Trabalhos como o de MyunghyoRyu (2005) demonstram que a eficiência da transferência de potência diminui drasticamente em poucos centímetros de distância em situações onde o meio de transmissão é o ar livre, tornando-se praticamente inviável a utilização desse tipo de circuito para aplicações que exigem distâncias um pouco maiores e uma melhor eficiência.</p><p>Diante desse obstáculo, foram desenvolvidos vários tipos de variações</p><p>de acoplamento indutivo ao longo do desenvolvimento dos estudos na área de WPT.</p><p>3.2.2 Acoplamento indutivo ressonante</p><p>De acordo com KESLER (2017), a ressonância é um fenômeno que, geralmente, envolve a oscilação de energia entre duas etapas. O exemplo mais comum é o balanço de um pêndulo, onde a energia oscila entre o potencial e a cinética. Um sistema que se encontra em ressonância obtém um grande acúmulo de energia armazenada e pouca excitação. O acúmulo ocorre devido a taxa de injeção de energia no sistema ser maior que a taxa de perda de energia pelo sistema.</p><p>Segundo Wheeler (1943), quando a oscilação ocorre em sua frequência de ressonância natural (ω0), os ressonadores mutuamente acoplados transfere entre si a máxima potência e cada ressonador apresenta sua perda intrínseca(Γ), que é a taxa com que o sistema perde energia armazenada.</p><p>A relação existente entre esses dois parâmetros define a qualidade (Q) do ressonador. A análise do resultado desse fator permite a quantificação da capacidade do sistema de armazenar energia e pode ser calculado pela equação abaixo.</p><p>Equação 3- fator de qualidade</p><p>Q= qualidade do ressonador; ω0= ressonância natural; Γ= perda intríseca</p><p>As figuras a seguir mostram exemplos das apologias mais comuns de ressonadores que podem ser utilizados na implementação de circuitos para aplicações WPT.</p><p>Figura 2- Topologia Série-Série (SS)</p><p>Fonte- Kuzeya, Balcib&Altin (2017)</p><p>Figura 3- Topologia Série-Paralelo (SP)</p><p>Fonte- Kuzeya, Balcib&Altin (2017)</p><p>Figura 4- Topologia Paralelo-Série (PS)</p><p>Fonte- Kuzeya, Balcib&Altin (2017)</p><p>Figura 5- Topologia Paralelo-Paralelo (PP)</p><p>Fonte- Kuzeya, Balcib&Altin (2017)</p><p>Esses são os mais utilizados, entretanto existem ainda os que utilizam técnicas com circuitos auxiliares para aplicação de sistemas com múltiplas frequências de ressonância, viabilizando múltiplas cargas ajustadas em diferentes frequências de funcionamento.</p><p>O uso desses sistemas proporciona a transferência direcionada no caso de uma carga; ou mista, no caso da transferência de energia para diversas cargas através de uma única fonte transmissora e da utilização de um sinal multiplexado (ZHONG & HUI, 2015).</p><p>O cálculo do fator de qualidade é um importante critério para avaliação da construção de um indutor para um sistema de transmissão de energia sem fio, principalmente, para circuitos do tipo série série (SS). Quanto maior o fator de qualidade, menores serão as perdas no indutor e, consequentemente, maior a eficiência do sistema.</p><p>4. Efeitos Biológicos da Radiação Eletromagnética</p><p>Quando novas tecnologias são inseridas no mercado passam por diversas análises para garantir a confiabilidade e segurança para o consumidor, porém quando estas envolvem ações de ondas eletromagnéticas a preocupação é maior devido aos efeitos de sua interação com o corpo humano. Dependendo da frequência e da potência existe a possibilidade de ocorrer algum tipo de efeito biológico, o que não significa necessariamente a existência de um perigo para a população. A transmissão sem fio por ser uma tecnologia que tem como princípio de funcionamento a interação de campos magnéticos a uma determinada frequência tornou-se uma dúvida de qual seria o dano provocado ao ser humano. Entretanto, de acordo com os estudos já iniciados sobre as radiações eletromagnéticas existem classificações e tabelas que indicam em quais são as frequências de risco .</p><p>A radiação eletromagnética é classificada em duas categorias: radiação ionizante e radiação não ionizante. A radiação ionizante ocorre em frequências maiores que as da emissão da luz, como por exemplo, os raios X e os raios gama, onde os comprimentos de ondas são micrométricos, e por este motivo, é uma radiação perigosa, pois possui energia suficiente para quebrar ligações químicas por ionização, o que faz com que o material genético do corpo humano possa ser danificado, levando a doenças como câncer, para tanto, ao trabalhar com esses raios é preciso utilizar roupas especiais de proteção.</p><p>Em frequências mais baixas que a da luz os campos eletromagnéticos não possuem energia suficiente para a quebra de ligações químicas por ionização, e são chamadas de radiação não ionizante, sendo assim não, atingem o material genético do ser humano, mas dependendo da frequência ainda traz certo risco físico a população.</p><p>Os efeitos biológicos estão associados aos efeitos térmicos e efeitos não térmicos em interação com as ondas eletromagnéticas, como mostrado na Tabela 1.</p><p>Tabela 1: Frequência e os principais efeitos biológicos</p><p>Fonte: CRUZ, 2005</p><p>Pode-se observar, na Tabela acima, que para frequências menores que 150 MHz, o corpo humano é dado como transparente, ou seja, não há nenhuma influência desta radiação à saúde. Outro tipo de efeito biológico são os não térmicos, que podem ser caracterizados como fisiológicos e comportamentais. De acordo com pesquisas podem afetar o equilíbrio, a sensação de dor e o funcionamento do cérebro em geral. Porém ainda não há evidências científicas relacionando estes tipos de efeitos com frequências baixas, menores de 150 MHz.</p><p>No que tange o uso da WPT até o presente momento, todas as tecnologias implementadas em pesquisa utilizam frequências bem menores que 150 MHz. Deste modo, este tipo de transmissão não prejudicará a saúde humana.</p><p>5. Vantagens da WPT</p><p>As vantagens da Transmissão de Energia Sem Fio são diversas e impactam diversos aspectos da vida cotidiana e da tecnologia moderna. Algumas das principais vantagens incluem:</p><p>· Conveniência: Elimina a necessidade de conexões físicas, como cabos e conectores, oferecendo uma experiência de uso mais simples e conveniente para os usuários.</p><p>· Mobilidade: Permite o carregamento e o fornecimento de energia a dispositivos móveis e em movimento, como smartphones, tablets, veículos elétricos e drones, sem a restrição imposta por cabos de alimentação.</p><p>· Flexibilidade de Posicionamento: Oferece maior liberdade no posicionamento de dispositivos eletrônicos e sistemas de energia, permitindo uma integração mais versátil em ambientes diversos.</p><p>· Redução de Desgaste e Danos: Elimina a necessidade de conexões físicas que podem se desgastar ao longo do tempo, reduzindo a probabilidade de danos nos dispositivos e aumentando sua durabilidade.</p><p>· Segurança: Reduz o risco de acidentes elétricos e incêndios, eliminando a exposição a cabos desencapados e conectores danificados.</p><p>· Eficiência Energética: Permite a transferência de energia de forma mais eficiente, reduzindo as perdas durante a transmissão e aumentando a eficiência global dos sistemas de energia.</p><p>· Integração em Ambientes Hostis: Ideal para ambientes onde a presença de água, poeira ou outras condições adversas torna impraticável o uso de conexões físicas.</p><p>· Sustentabilidade: Contribui para a redução do consumo de materiais e recursos naturais, ao eliminar a necessidade de cabos e conectores descartáveis, promovendo uma abordagem mais sustentável para o fornecimento de energia.</p><p>· Aplicações Específicas: Facilita o fornecimento de energia em situações onde o uso de cabos é impraticável ou inadequado, como em dispositivos médicos implantáveis, sensores remotos e equipamentos industriais.</p><p>Essas vantagens fazem da Transmissão de Energia Sem Fio uma tecnologia promissora e em constante evolução, com potencial para transformar significativamente diversos setores da sociedade e da indústria.</p><p>6. Desafios da WPT</p><p>Apesar das muitas vantagens, a Transmissão de Energia Sem Fio apresenta também alguns desafios que precisam ser superados para sua implementação generalizada e eficaz. Alguns desses desafios incluem:</p><p>· Eficiência Energética: A eficiência da transferência de energia sem fio ainda é menor em comparação com a transmissão com fio, devido às perdas durante a conversão e transmissão de energia. Melhorar a eficiência é crucial para maximizar o aproveitamento da energia transmitida.</p><p>· Alcance Limitado: A distância entre o transmissor e o receptor ainda é um desafio a ser superado, especialmente em aplicações que exigem transmissão de energia em longas</p><p>distâncias. Tecnologias como o acoplamento ressonante têm ajudado a aumentar o alcance, mas ainda há limitações práticas a serem enfrentadas.</p><p>· Interferência Eletromagnética: A operação de sistemas de transmissão de energia sem fio pode ser afetada por interferências eletromagnéticas de outros dispositivos eletrônicos próximos. Estratégias de mitigação, como o uso de frequências específicas e técnicas de modulação, são necessárias para minimizar os efeitos da interferência e garantir a operação confiável dos sistemas.</p><p>· Padronização e Compatibilidade: A falta de padrões universalmente aceitos para a transmissão de energia sem fio pode dificultar a interoperabilidade entre diferentes dispositivos e sistemas. Esforços de padronização são essenciais para garantir a compatibilidade entre dispositivos de diferentes fabricantes e promover a adoção generalizada da tecnologia.</p><p>Superar esses desafios exigirá esforços contínuos de pesquisa e desenvolvimento, bem como colaboração entre a indústria, academia e reguladores para impulsionar a inovação e promover a adoção da Transmissão de Energia Sem Fio em diversas aplicações e setores.</p><p>7. Aplicações práticas</p><p>Os dispositivos eletrônicos portáteis como notebooks, celulares, fones de ouvido e tablets necessitam de recargas diárias devido a grande utilização e consumo de energia. Com limitações devido aos cabos necessários para conexão dos aparelhos a rede e também a quantidade de dispositivos que podem ser acoplados. A tecnologia de carregamento sem fio traz a vantagem de múltiplas conexões simultâneas e com a utilização da mesma fonte. Contudo, é possível a instalação dos sistemas de carregamento em mesas e bancadas de diversos locais e ambientes (restaurantes, shoppings, etc), fornecendo uma simplicidade de uso por não fazer uso de nenhum acessório para recarga ou qualquer incompatibilidade de marca de dispositivos como cabos ou conectores e carregadores, facilitando o acesso ao público. (CHEN e LIANG, 2013)</p><p>Em 2009, companhias e indústrias formaram o consórcio nomeado “Wireless Power Consortium” (WPC) e também padronizaram a transferência elétrica de potência através do carregamento indutivo. Chamada “Qi Inductive Charging ", apresenta um padrão de carregamento sem fio de baterias de aparelhos eletroeletrônicos como celulares, iPods, MP3 players e câmeras. usando 5W de potência para a transferência de energia, a uma distância de até 4 cm entre receptor e o emissor.</p><p>Figura 6- Air power</p><p>Fonte:https://agenciauva.net/2019/04/01/apple-desiste-do-airpower-seu-carregador-sem-fio/</p><p>De acordo com LIU (2015), existem duas configurações básicas do padrão de recarga Qi. A forma mais básica, formada por apenas uma bobina transmissora (Figura 6), representa o tipo simples, bem mais econômico e com boa eficiência de transferência de potência. Sua desvantagem é que o dispositivo tenha a necessidade do usuário ficar posicionado em local específico. Os dispositivos podem apresentar diferentes tipos de posicionamento de bobinas receptoras ou de acordo com o fabricante.</p><p>Figura 7- Transmissor Qi formado por apenas 1 bobina.</p><p>Fonte:Google imagens.</p><p>Outra aplicação dessa tecnologia é no carregamento de veículos elétricos. O carregamento sem fio de veículos elétricos geralmente funciona por meio de indução magnética. Duas bobinas - uma no veículo e outra na base de carregamento - formam um sistema de acoplamento magnético que permite a transferência de energia entre elas quando estão alinhadas.</p><p>Figura 8- carregamento indutivo de veículos elétricos</p><p>Fonte:https://gizmodo.uol.com.br/carregamento-sem-fio-para-carros-eletricos/</p><p>8. Conclusão</p><p>A Transmissão de Energia Sem Fio (WPT - Wireless Power Transmission) representa uma manifestação prática dos princípios fundamentais do eletromagnetismo, que têm sido estudados e desenvolvidos ao longo dos séculos. Desde as descobertas de cientistas pioneiros como Michael Faraday e James Clerk Maxwell até os avanços tecnológicos contemporâneos, como o acoplamento indutivo e ressonante, a WPT tem demonstrado como é possível aproveitar os fenômenos eletromagnéticos para transferir energia de forma eficiente e sem a necessidade de fios ou conexões físicas. 							Ao compreender e aplicar os conceitos de indução e ressonância magnética, somos capazes de criar sistemas que transcendem as limitações dos métodos tradicionais de transmissão de energia. Isso não apenas abre caminho para uma maior conveniência e mobilidade em nossas vidas cotidianas, mas também promove avanços significativos em áreas como saúde, transporte e indústria.</p><p>No entanto, à medida que avançamos para um futuro cada vez mais eletrificado e conectado, é essencial reconhecer os desafios associados à WPT, desde questões de eficiência energética até preocupações com segurança e interoperabilidade. Portanto, é fundamental que continuemos a explorar, inovar e colaborar, aproveitando os princípios do eletromagnetismo para superar esses obstáculos e aproveitar todo o potencial da Transmissão de Energia Sem Fio em benefício da sociedade e do meio ambiente.</p><p>Referências bibliográficas:</p><p>https://periodicos.unis.edu.br/index.php/mythos/article/view/567/394</p><p>https://dspace.doctum.edu.br/bitstream/123456789/2036/1/ESTUDO%20E%20AN%C3%81LISE%20DA%20TRANSMISS%C3%83O%20DE%20ENERGIA%20SEM%20FIO.pdf</p><p>https://semanaacademica.org.br/system/files/artigos/2._kaio_carvalho._transmissao_de_potencia_wireless_0.pdf</p><p>https://www.electricity-magnetism.org/pt-br/quais-sao-as-vantagens-e-desvantagens-dos-sistemas-de-transferencia-de-energia-sem-fio-em-comparacao-com-a-transferencia-de-energia-com-fio/</p><p>Tesla Institute.Flat spiralcoilinductorcalculator. Acesso em 02 de junho de 2020.</p><p>Disponível em: <http://www.tesla-institute.com/!app/sim/fscic.php.></p><p>https://tecnoblog.net/252448/carregador-samsung-wireless-charger-duo/</p><p>file:///C:/Users/sina/Downloads/[48]+PRINCIPAIS+TECNOLOGIAS+DE+TRANSMISS%C3%83O+DE+ENERGIA+EL%C3%89TRICA+SEM+FIO+E+SUAS+APLICABILIDADES.pdf</p><p>15</p><p>image3.png</p><p>image4.png</p><p>image5.png</p><p>image6.png</p><p>image7.png</p><p>image8.png</p><p>image9.png</p><p>image10.png</p><p>image1.png</p><p>image2.png</p>