O uso da simulação numérica de campos eletromagnéticos como ferramenta de ensino

The use of numerical simulation of electromagnetic fields as a teaching tool

ARTIGOS GERAIS

O uso da simulação numérica de campos eletromagnéticos como ferramenta de ensino

The use of numerical simulation of electromagnetic fields as a teaching tool

Antônio Flavio Licarião Nogueira¹

Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade do Estado de Santa Catarina, Joinville, SC, Brasil

RESUMO

O acesso mais fácil aos programas computacionais gratuitos para o cálculo numérico de campos eletromagnéticos tornou possível o uso desses programas como ferramenta de ensino. Também, os avanços recentes da tecnologia de simulação têm contribuído para tornar esses programas mais fáceis de serem utilizados. Um problema de conversão de energia foi escolhido para ilustrar o uso do simulador de campos FEMM na investigação do comportamento de um sistema físico. O estudo examina os efeitos do movimento de um bastão dielétrico sólido por entre os eletrodos de um capacitor de placas planas e paralelas. Uma sequência de problemas estáticos permite avaliar como a variação da área de contato entre o bastão dielétrico e as placas condutoras afeta os vários parâmetros do sistema. Os valores calculados numericamente para a densidade de fluxo elétrico e força do campo eletrostático são comparados com valores previstos analiticamente.

Palavras-chave: campos elétricos, capacitância, educação em engenharia, força, método dos elementos finitos.

ABSTRACT

The increasing accessibility to open software for electromagnetic field simulation has allowed the use of these programs as teaching tools. Also, the recent technical developments in the simulation technology have contributed to the ease-of-use of these programs. A problem of energy conversion has been chosen to illustrate the use of the field simulator FEMM on the investigation of the behavior of a physical system. The study examines the effects of the movement of a solid dielectric slab between the electrodes of a flat parallel plate capacitor. A sequence of static problems permits to assess how the variation of the overlapping area between the dielectric slab and the conductive plates affects the various parameters of the system. Numerical calculations for the density of electric flux and force of the electrostatic field are compared with analytical predictions.

Keywords: electric fields, capacitance, engineering education, force, finite element methods.

1. Introdução

A inter-relação entre os projetos de natureza elétrica, mecânica e termodinâmica torna a manufatura de equipamentos elétricos um processo altamente especializado onde somente uma parte das especificações do projeto está associada às grandezas de natureza eletromagnética. Nas últimas três décadas, um número cada vez maior de fabricantes de equipamentos elétricos utiliza sistemas informáticos para cálculo numérico de campos eletromagnéticos em seus projetos elétricos. Esses sistemas informáticos, em sua grande maioria, usam a técnica dos elementos finitos e estão inseridos na filosofia de projeto com auxílio computadorizado ou, simplesmente, filosofia CAD (Computer-Aided Design). A adequação desses sistemas informáticos a um determinado projeto depende do tipo de equipamento; é mais provável, por exemplo, a utilização de pacotes de elementos finitos no projeto de motores de corrente contínua do que no projeto de motores de indução. A análise desse ultimo tipo de máquina usando programas de elementos finitos é muito mais difícil e o projeto normalmente faz uso de uma combinação criteriosa de métodos numéricos e analíticos.

A incorporação de uma disciplina prática de cálculo de campos no ensino de eletromagnetismo vem sendo defendida desde a década de 1980. Coren [1] sugeriu a introdução de técnicas computacionais para contornar as dificuldades típicas dos cursos introdutórios de eletromagnetismo; na época, foram constatadas dificuldades relacionadas à complexidade dos conteúdos programáticos e as cargas horárias insuficientes para cobrir a grande variedade de tópicos. Carpenter [2] observou que o uso de simuladores de campo no ensino de eletromagnetismo já era uma realidade nas universidades britânicas e propôs uma abordagem nova para o ensino da teoria de campos; explicitou as vantagens de analisar os campos magnético e elétrico a partir do vetor potencial magnético A e do potencial eletrostático φ, que são as grandezas primárias de cálculo dos simuladores de campo. A parceria entre a Universidade McGill, em Montreal e o Imperial College de Londres para a criação de laboratórios de simulação de campos é descrita por Lowther e Freeman [3]; o artigo apresenta uma descrição de um conjunto de cinco aulas práticas de simulação; para cada experimento, o texto registra quais conceitos são introduzidos, as aproximações da solução analítica e a forma de aumentar a precisão numérica dos resultados. Em duas dessas aulas, os resultados da simulação numérica são comparados com medições realizadas no laboratório convencional.

Os recursos dos simuladores de campos voltados para a visualização e inspeção de grandezas físicas podem contornar a principal dificuldade dos cursos introdutórios de eletromagnetismo, que é o caráter abstrato da disciplina. É possível abordar uma vasta gama de problemas de conversão eletromecânica de energia considerando somente grandezas terminais como indutâncias, forças e torques, considerando que as mesmas são, por vezes, facilmente medidas. No entanto, existem efeitos de grande importância prática que precisam ser explicados pela teoria de campos; é o caso, por exemplo, da dissipação de calor em núcleos ferromagnéticos e das forças dinâmicas produzidas pelas correntes parasitas em meios condutores.

Um estudo da Research and Education Association (Associação Americana para Pesquisa e Educação) sobre as dificuldades dos estudantes na disciplina de eletromagnetismo mostra que o fator que mais contribui para essas dificuldades é o número reduzido de exercícios que os alunos resolvem. Como decorrência dessa constatação, essa associação publicou um extenso manual para solução de problemas; a primeira edição foi lançada em 1983 sob o título The Electromagnetics Problem Solver [4].

Nos últimos anos, algumas empresas especializadas no desenvolvimento de ferramentas computacionais para o projeto e otimização de equipamentos elétricos começaram a disponibilizar versões gratuitas de seus programas na Internet, sem qualquer restrição de desempenho e acompanhadas de extensa documentação. É o caso dos programas MagNet e ElecNet, distribuídos pela Infolytica Corporation [5]. Um dos programas de acesso mais fácil é o Finite Element Method Magnetics, conhecido na comunidade acadêmica por FEMM [6].

No presente trabalho, um problema de conversão eletromecânica de energia é utilizado para mostrar uma série de resultados obtidos mediante o emprego dos recursos de cálculo e visualização do simulador de campos FEMM. O problema consiste em determinar os efeitos da inserção de um bastão dielétrico no espaço que separa as placas de um capacitor de placas planas e paralelas; o capacitor é alimentado por uma tensão contínua durante todo o movimento do bastão. Trata-se de um problema abordado em textos do eletromagnetismo aplicado; é o caso dos livros de Hammond [7], Bastos [8], bem como do manual de soluções The Electromagnetics Problem Solver [4]. O problema tem solução analítica e a mesma pode ser tomada como referência no processo de comparação com valores calculados numericamente. Uma variante do problema aqui proposto é a análise de produção de força sobre o bastão dielétrico quando, ao invés da tensão de alimentação, as cargas elétricas das placas paralelas é que são mantidas constantes durante o processo de inserção do bastão dielétrico.

2. O sistema de conversão de energia

O dispositivo de conversão de energia objeto do presente estudo converte energia elétrica em energia mecânica e vice-versa, através da energia potencial do campo eletrostático. Os principais elementos do dispositivo são mostrados na Fig. 1. Nesse sistema, diferentes formas de energia são armazenadas em seus componentes: energia elétrica na bateria e no capacitor; energia mecânica no sistema mecânico, aqui representado por uma mola. As placas paralelas do capacitor possuem largura e profundidade l iguais a 10,0 cm e a separação d entre as placas paralelas é 1,0 cm. O capacitor é alimentado por uma tensão contínua V de 14.000 volts. O bastão dielétrico também possui largura e profundidade iguais a 10,0 cm e o material utilizado é a baquelita cuja permissividade elétrica relativa ε_r é igual a 5.

2.1. Solução analítica

O principal efeito da inserção de um bastão de permissividade elétrica ε entre as placas do capacitor - originalmente separadas pelo ar - é produção de força. O processo inclui a polarização do bastão dielétrico e a consequente indução de uma carga suplementar na região onde as placas condutoras estão em contato com o dielétrico. Nessa região de contato, grandezas distribuídas como a carga elétrica e a densidade de fluxo elétrico D sofrem um aumento localizado; esse aumento é igual à razão ε/ε_o conhecida como contraste de permissividades. O aumento da carga elétrica se reflete no valor das grandezas de caráter global como capacitância e energia elétrica armazenada, que também aumentam. A taxa de aumento dessas grandezas depende da variação da área de contato entre as placas condutoras e o bastão dielétrico. Quando o bastão dielétrico ocupa todo o espaço entre as placas, a capacitância e a energia elétrica armazenada atingem seus valores máximos. Como a tensão de alimentação é mantida constante durante a inserção do bastão dielétrico, o campo elétrico E não se altera durante o processo e se distribui uniformemente em todo o espaço entre as placas condutoras.

No processo de inserção do bastão com tensão de alimentação constante, a bateria fornece energia elétrica para o sistema; metade dessa energia se transforma em energia mecânica e a outra metade se transforma em aumento da energia do campo eletrostático. Trata-se do princípio da equipartição da energia potencial em sistemas eletricamente lineares. Quando o bastão dielétrico é retirado, a bateria absorve energia, sendo que metade dessa energia provém da fonte mecânica e a outra metade do capacitor cuja energia potencial é reduzida.

A observação da Fig. 1 mostra que a variável x pode ser interpretada como a distância da face direita do bastão dielétrico até a borda esquerda das placas do capacitor. Para facilitar a análise, pode-se definir um referencial de posição em termos da variável x. Na Fig. 2 aparecem três configurações do modelo e uma linha vertical, perpendicular à borda esquerda do capacitor; essa linha é usada como referencial de posição. Quando a face direita do bastão está alinhada com a borda esquerda do capacitor, tem-se x = 0 e a área de contato é nula; na posição x = 10,0 cm o bastão ocupa todo o espaço entre as placas e a área de contato é máxima. A configuração final da análise é quando x = 20,0 cm, uma situação onde a área de contato também é nula.

A investigação do processo de produção da força que o campo eletrostático exerce sobre o bastão dielétrico pode ser feita com base na relação causa-efeito do movimento do bastão dielétrico em relação as placas estacionárias do capacitor. De acordo com o referencial mostrado na Fig. 2, observa-se que o bastão começa a penetrar no espaço intereletródico quando x > 0. Como resultado do aumento de cargas induzidas na região de contato, a capacitância aumenta e também aumenta a energia do campo eletrostático. O aumento da energia ocorre devido a um deslocamento posicional e, portanto, existe uma força que está agindo na parte que se move - no caso, o bastão. Essa força age no sentido de aumentar a carga, a capacitância e, consequentemente, a energia elétrica armazenada. Para o referencial utilizado e o movimento de inserção do bastão da esquerda para a direita, a força do campo atrai a face direita do bastão até que todo o espaço entre as placas seja ocupado pelo bastão. Nessa configuração do sistema, a área de contato e a energia armazenada atingem seus valores máximos e a força se anula. Como a largura l do bastão é a mesma das placas - no caso 10,0 cm -, o movimento do bastão para posições onde x > 10,0 cm implica em uma redução da área de contato e o sistema reage no sentido de evitar a redução da carga, capacitância e energia armazenada. O efeito dessa reação é uma inversão no sentido da força do campo que, agora passa a atrair a face esquerda do bastão para o espaço intereletródico. A Fig. 3 mostra o sentido de atuação da força f do campo para três configurações do sistema. Quando x = 1,0 cm, a área de contato representa 10% da área das placas e tende a aumentar com o movimento do bastão; no caso, a força f favorece o movimento e seu sentido é da esquerda para a direita. Quando x = 10,0 cm, o bastão dielétrico ocupa todo o espaço entre as placas; a área de contato é máxima e, devido à simetria da estrutura, a força líquida sobre o bastão é nula. Na terceira configuração, quando x = 11,0 cm, a área de contato é 90% da área das placas e tende a diminuir com o movimento do bastão; no caso, a força f do campo se opõe ao movimento e seu sentido é da direita para a esquerda.

O método do trabalho virtual foi escolhido para os cálculos analítico e numérico da força exercida pelo campo eletrostático sobre o bastão. A principal vantagem desse método é a simplicidade de sua formulação e o fato de poder ser aplicado nos cálculos de forças e torques de quase todos os dispositivos eletromagnéticos [9]. Métodos para cálculo de força como o tensor ponderado de Maxwell não podem ser aplicados para o cálculo dessa força porque a parte móvel - no caso, o bastão dielétrico - não é totalmente envolta pelo ar. A dedução da fórmula analítica da força empregando o método do trabalho virtual é apresentada no Apêndice. A força F_x que o campo eletrostático exerce sobre o bastão dielétrico no sentido de atraí-lo para o espaço intereletródico é expressa em termos da tensão V aplicada ao capacitor, das dimensões geométricas do capacitor e das permissividades elétricas ε dos meios materiais que ocupam o espaço entre as placas paralelas. A magnitude dessa força é

Substituindo os valores numéricos dos diversos parâmetros na Eq. (1), chega-se a uma força F_x cuja magnitude é 34,70 mN.

Com base nas observações feitas sobre a magnitude e sentido de atuação da força, é possível construir o gráfico mostrado na Fig. 4 que representa uma previsão para o comportamento da força em função da variável x. Nesse gráfico, valores positivos da força representam uma força dirigida no mesmo sentido do movimento - ou seja, da esquerda para a direita -, enquanto que valores negativos representam uma força dirigida da direita para a esquerda. Uma das dificuldades dessa previsão teórica é a identificação da posição x onde a magnitude da força começa a decrescer. Em princípio, a inversão no sentido de atuação da força em torno da posição x = 10,0 cm pode ser representada, de forma aproximada, por uma característica em forma de "degrau" ou em forma de "rampa". Os resultados da análise numérica, apresentados mais adiante, mostram que, na verdade, essa inversão ocorre de forma brusca, mas contínua.

2.2. Modelo numérico

O modelo numérico é formado pela união de várias regiões, como mostra a Fig. 5. Condições de contorno assintóticas permitem o modelamento da distribuição dos campos E e D na região externa do capacitor. A utilização dessa condição de contorno requer a definição de um círculo de raio r que envolve completamente o dispositivo. Os elementos de maior interesse - nesse caso, o capacitor - devem estar situados na região central desse círculo que faz o papel de uma fronteira remota. Chen e Konrad [10] enumeram uma série de vantagens dessa técnica de modelamento de fronteiras e explicam que, diferentemente das técnicas de truncamento de fronteiras, o círculo associado às condições assintóticas não precisa estar muito afastado do dispositivo em estudo. No presente modelo, o círculo utilizado possui um raio de 20,0 cm de comprimento, ou seja, o dobro da largura das placas.

No modelo numérico, o capacitor é formado pela união das dez regiões retangulares que aparecem no centro da figura. Os segmentos horizontais dessas dez regiões representam os condutores que compõem as placas do capacitor. Nesses segmentos, o potencial elétrico é imposto como condição de contorno. Tal condição de contorno é conhecida como condição de Dirichlet ou condição de contorno principal. Nesse problema, os valores atribuídos aos potenciais dos condutores que compõem as placas paralelas, superior e inferior, são V_p = +7,0 kV e V_n = -7,0 kV, respectivamente. As regiões retangulares em tons cinza-claro que aparecem à esquerda e à direita do capacitor são fronteiras materiais artificiais. Trata-se de um artifício do modelo que possibilita simular o movimento do bastão dielétrico através da simples re-identificação de propriedades materiais. Dessa forma, é possível utilizar a mesma malha de elementos finitos para definir a sequência de problemas estáticos que simulam o movimento do bastão dielétrico. Lowther e Silvester [11] aconselham a utilização da mesma malha na sequência de problemas similares que simulam movimento; com isso é possível aumentar a precisão numérica dos cálculos de força pelo método do trabalho virtual.

3. Resultados numéricos

A análise da distribuição de potenciais e campos vetoriais em dispositivos eletromagnéticos é facilitada pela inspeção visual. A Fig. 6 mostra o traçado das equipotenciais, superposto ao mapeamento sombreado da densidade do fluxo elétrico D para a solução de campo que representa o bastão ocupando a metade esquerda do espaço entre as placas do capacitor.

Nesse tipo de mapeamento, maiores valores da grandeza - no caso, a densidade do fluxo elétrico - são associados a tons mais escuros da cor cinza. Observando-se a figura, percebe-se que o traçado das equipotenciais é coerente com o entendimento físico do problema; pode-se observar tanto a distribuição uniforme das superfícies equipotenciais no espaço intereletródico como sua dispersão nas regiões externas.

O mapeamento sombreado ajuda na identificação da metade esquerda do capacitor como a região de maior densidade do fluxo elétrico D. De acordo com a previsão teórica, o aumento na densidade do fluxo elétrico na região de contato é igual ao contraste de permissividades ε/ε₀ que, no caso de um bastão de baquelita é igual a 5. Esse aumento pode ser observado com auxílio da Fig. 7 que mostra a variação da magnitude da componente vertical D_y da densidade de fluxo elétrico ao longo de um contorno horizontal, definido exatamente na metade da distância entre as placas condutoras.

Observa-se nesse gráfico que, excetuando-se as regiões próximas das bordas, a densidade de fluxo é praticamente constante em cada metade do contorno de inspeção. Os valores médios são 61,44 e 12,32 µC/m² nas metades esquerda e direita, respectivamente. A relação entre esses valores é 4,99, ou seja, um valor bem próximo ao previsto na análise teórica. Os fluxos elétricos φ que atravessam as metades esquerda e direita do espaço intereletródico são 0,307 e 0,0615 µC, respectivamente; a relação entre esses fluxos é, também, aproximadamente igual ao contraste de permissividades, que é igual a 5.

3.1. Força e energia

O levantamento das características que representam as variações da energia elétrica armazenada e da força do campo em função da posição do bastão dielétrico é feito a partir de uma sequência de soluções de campo. No caso, utiliza-se a mesma malha de elementos finitos e a técnica de re-identificação de materiais para definir a sequência de 25 problemas que representam o deslocamento do bastão da esquerda para a direita ao longo de um percurso de 20,0 cm.

A característica que representa a variação da energia total armazenada no campo eletrostático em função da posição do bastão dielétrico aparece na Fig. 8. Essa característica representa o aumento que ocorre na energia elétrica armazenada enquanto o bastão dielétrico está sendo inserido no espaço intereletródico. A energia atinge seu valor máximo na posição x = 10,0 cm, quando o bastão dielétrico ocupa todo o espaço entre as placas condutoras. Essa posição representa um máximo energético e um ponto de equilíbrio estável. De acordo com o referencial de posição utilizado, e o sentido do movimento do bastão - no caso, da esquerda para a direita - o deslocamento do bastão além da posição x = 10,0 cm implica na redução da área de contato e, portanto, em uma redução da energia armazenada no campo eletrostático; no caso, metade dessa energia passa a ser absorvida pela bateria.

As estimativas numéricas da força são calculadas pelo método do trabalho virtual, aqui aplicado em sua forma clássica; avalia-se a energia total armazenada em posições sucessivas do bastão dielétrico e esses valores são subtraídos para se obter a variação de energia. A força é avaliada pela equação

Na Eq. (2), W₁ e W₂ representam as energias armazenadas em duas posições sucessivas; Δx é o deslocamento posicional, isto é, Δx = (x₂ - x₁). F_x é a estimativa da força na posição intermediária (x₁ + x₂)/2.

O gráfico da Fig. 9 apresenta a série numérica que representa as estimativas da força, bem como uma ca- racterística que representa a previsão teórica. A série numérica é representada por círculos, enquanto que a solução analítica é representada por linhas sólidas que compõem uma característica em forma de rampa e simétrica em relação ao eixo horizontal.

Comparando-se os resultados, observa-se que as duas características estão bem próximas; para as configurações que representam áreas de contato maiores, entre 7,5% e 80%, os erros são menores que 1,0% e, portanto, os valores calculados analítica e numericamente são bastante próximos. Para as configurações que representam áreas de contato pequenas, o desvio entre a previsão analítica e os valores calculados numericamente é maior; para as posições x = 9,25 cm e x = 10,75, por exemplo, esse desvio é 7,62%. A característica obtida numericamente mostra que as mudanças na magnitude e sentido de atuação da força ocorrem de forma brusca, mas contínua. Essas mudanças ocorrem ao longo de um deslocamento de 3,0 cm ao invés do deslocamento previsto pela característica em forma de "rampa", que é de somente 1,0 cm.

No geral, os valores calculados analítica e numericamente para os diversos parâmetros do sistema apresentam uma ótima correlação e são, portanto, plenamente satisfatórios.

4. Conclusões

O artigo mostra como um programa de simulação de campos pode ser usado no ensino de um problema de conversão eletromecânica de energia. Para se avaliar o efeito da inserção e posterior remoção de um bastão dielétrico do espaço entre as placas de um capacitor energizado, foi construído um modelo numérico capaz de acomodar mudanças na configuração do dispositivo. As atividades dos alunos nas aulas de simulação começam com o emprego da técnica de re-identificação de materiais para simular o movimento do bastão. Para cada posição do bastão, devem ser anotados os valores da energia total armazenada e observado o mapeamento sombreado da densidade de fluxo elétrico. Utilizando recursos para integração de área, devem ser comparados os valores dos fluxos elétricos nas regiões ocupadas pelo dielétrico e pelo ar. O levantamento das características que representam variações da energia e da força é feito a posteriori, utilizando planilhas de cálculo. Os valores obtidos das simulações numéricas são comparados com valores calculados analiticamente.

Agradecimentos

O autor quer expressar sua gratidão a David Meeker ([e-mail]), autor da suíte de programas FEMM. Também, agradece ao professor Benedito Antonio Luciano ([e-mail]) pelas frutíferas discussões em torno deste artigo. Este trabalho é parte do Projeto UDESC n. DAPE 027/2006.

Recebido em 3/7/2008; Aceito em 24/9/2008; Publicado em 27/2/2009

Apêndice

Cálculo da força do campo eletrostático pelo método do trabalho virtual

Para se calcular as forças envolvidas no processo de inserção e retirada do bastão dielétrico, pode-se considerar um pequeno deslocamento posicional Δx do bastão dielétrico. No caso, a equação do balanço de energia é

O primeiro membro da Eq. (A-2) representa a variação da energia elétrica fornecida pela bateria. A variação (Δq)V é o dobro da variação da energia do campo. Sendo assim, tem-se

Portanto,

A densidade do fluxo elétrico D é diferente nos dois meios materiais que ocupam o espaço entre as placas do capacitor. No espaço ocupado pelo ar, tem-se

Na região ocupada pelo bastão dielétrico, tem-se

A energia armazenada pelo campo eletrostático é

Diferenciando-se a expressão da energia armazenada em relação à posição x obtém-se, finalmente, a seguinte expressão para a força F_x

• [1] R.L. Coren, IEEE Transactions on Education 36, 230 (1993).
• [2] C.J. Carpenter, IEEE Transactions on Education 36, 223 (1993).
• [3] D.A. Lowther and E.M. Freeman, IEEE Transactions on Education 36, 219 (1993).
• [4] The Electromagnetics Problem Solver (Ed. Research and Education Association, New York, 1987), 2Ş ed., p. 311.
• [5] Magnetostatics Case Studies (Infolytica Corporation, 2008) Disponível em http://www.infolytica.com
• [6] D. Meeker, FEMM 4.0 Magnetics and Electrostatics Reference Manual, 2008. Disponível em http://femm.foster-miller.net/wiki/HomePage
• [7] P. Hammond, Applied Electromagnetism (Pergamon Press, Oxford, 1985), p. 123.
• [8] J.P.A. Bastos, Eletromagnetismo para Engenharia: Estática e Quase-Estática (Editora da UFSC, Florianópolis, 2004), 1Ş ed, p. 115.
• [9] A.F.L. Nogueira e d .C.B. Pereira Jr., in Anais do 7ş Congresso Brasileiro de Eletromagnetismo. Belo Horizonte, 2006.
• [10] Q. Chen and A. Konrad, IEEE Transactions on Magnetics 33, 663 (1997).
• [11] D.A. Lowther and P.P. Silvester, Computer-Aided Design in Magnetics (Springer-Verlag, New York, 1986), p. 195.

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  23 Mar 2009
• Data do Fascículo
  Dez 2008

Histórico

• Aceito
  24 Set 2008
• Recebido
  03 Jul 2008