Medição Indireta de Corrente Elétrica
por Efeito
Magneto-Óptico
Coordenador :
Márlio José do Couto Bonfim
Equipe :
Wilson Arnaldo Artuzi Junior
Oscar da Costa Gouveia Filho
Stefania Pizzini
Julio Kendi Nishioka
Leandro Mattedi
Rafael Coradin
Métodos alternativos de medida de corrente utilizam o campo magnético criado em torno do condutor fazendo dessa forma uma medida indireta da corrente. A medida do campo pode ser efetuada sem a interrupção do circuito elétrico, o que torna esta técnica muito atrativa. Tradicionalmente esta medida de campo é efetuada através de um núcleo magnético fechado do tipo toroidal que concentra as linhas de campo no seu interior, podendo-se desta forma utilizar a aproximação de que todo o fluxo magnético está concentrado no núcleo. Isso simplifica a medição de corrente pois o campo gerado independe da geometria e posição do condutor em relação ao núcleo toroidal.
Este método é bastante utilizado na medida de corrente em condutores de energia elétrica, onde os cabos podem ser separados e as freqüências envolvidas são relativamente baixas. Em circuitos eletrônicos do tipo impresso esta técnica não se presta pois não é possível envolver um único condutor com o núcleo toroidal. Além disso, na medida de correntes em altas freqüências, dois fatores associados ao núcleo magnético limitam fortemente esta técnica : a baixa permeabilidade do material magnético usado como núcleo e a indutância introduzida no circuito pelo mesmo.
Tendo em vista uma solução alternativa
para a medida de corrente nas situações onde as técnicas
de medidas convencionais tornam-se falhas, propomos neste projeto o desenvolvimento
de uma nova técnica de medida de corrente através do campo
magnético gerado pelo condutor utilizando os efeitos magneto-ópticos.
O objetivo principal deste trabalho é o desenvolvimento de um amperímetro (protótipo) baseado nos efeitos magneto-ópticos, de modo a permitir a medida de corrente elétrica em condutores e circuitos impressos.
Numa primeira fase será desenvolvido um protótipo para medição de corrente em baixas frequência de DC à 20kHz. Esse protótipo possibilitará a medida de corrente em condutores de alta tensão da rede elétrica bem como circuitos eletrônicos na faixa de áudio-frequência.
Numa segunda fase será elaborado um protótipo capaz de medir correntes em altas frequências de 10kHz à 1GHz, sendo portanto adaptado às medidas em circuitos de telecomunicação (telefonia celular, transmissores de RF, etc.) assim como em circuitos digitais de alta velocidade.
A utilização de um feixe de luz focalizado
(laser) como sonda do campo magnético permitirá também
o mapeamento da densidade de corrente num determinado condutor ou circuito,
o que pode ser extremamente útil na análise de circuitos
de alta frequência onde efeitos secundários tais como "skin
depht" ou condutores adjacentes podem alterar significativamente a distribuição
de corrente num condutor.
O princípio de medição é o mesmo dos magnetômetros a efeito Kerr e Faraday, onde a magnetização de uma amostra é medida através da rotação do plano de polarização da luz incidente linearmente polarizada., A rotação sofrida pela luz é detectada com a ajuda de polarizadores ópticos lineares e fotodiodos sensíveis ao comprimento de onda da fonte de luz utilizada. Como fonte de luz é usado geralmente um diodo laser, pela qualidade e direcionalidade obtidas, associado à potência relativamente elevada a um baixo custo.
Experiências anteriores com o desenvolvimento deste tipo de magnetômetro por parte de integrantes da equipe de trabalho permitirá uma rápida implementação desta etapa.
Numa primeira etapa será construído um magnetômetro que será utilizado no estudo e seleção dos materiais magneto-ópticos mais adequados à aplicação como sensores de campo na medida da corrente. Em seguida este magnetômetro será adaptado à medida de corrente elétrica em baixas freqüências (DC-20kHz). A última etapa será a implementação do medidor de corrente capaz de trabalhar em frequências até 1 GHz, possibilitando assim a medição em circuitos de telecomunicação tais como os usados em telefonia celular e transmissores de radio-frequência.
Um modelamento numérico da distribuição
do campo magnético em torno do condutor baseado nos métodos
dos elementos finitos e das diferenças finitas será efetuado
com o intuito de melhor equacionar o problema da medida de corrente, principalmente
em circuitos de alta frequência.
Como resultados deste projeto espera-se desenvolver os seguintes produtos :
Dentre as vantagens deste tipo de instrumento em relação aos amperímetros convencionais, tem-se :