Ondas eletromagnéticas. Métodos Eletromagnéticos. Ondas eletromagnéticas. Espectro EM

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1 Métodos Eletomagnéticos Especto e fontes de enegia Tipos de fontes, fomas de medição Exemplos de alguns métodos Ondas eletomagnéticas A teoia eletomagnética epesenta a extensão e o entendimento de que os fenômenos eléticos e magnéticos são inteligados. Além das fontes natuais, o campo EM é geado, contolado e usado num intevalo lago em feqüência. Da mais alta paa a mais baixa, são a adiação gama, aio X, luz ultavioleta, luz visível, infavemelho (calo iadiado), micoonda, telefonia celula, comunicação em UHF, televisão/fm (VHF), ádio difusão de longo e cuto alcance, VLF ( Vey low fequency ). outubo de 10 Hédison K. Sato Ondas eletomagnéticas 3 Especto EM 4 Confome o objetivo, as ondas EM são iadiadas em divesas dieções (caso das TV, lâmpadas, etc). concentadas atavés de antenas paabólicas litealmente canalizadas, como ocoe nas fibas óticas. Especto das ondas EM Compimento de onda (cm) Raio gama Raio X Ulta Luz Infa TV(-6) Ondas Ondas violeta visível vemelho Micoondas FM cutas longas VLF ULF ELF Feqüência (Hz) TV(7-13) Celula EHF (Extemely High Fequency: GHz) SHF (Supe High Fequency: 3-30 GHz) UHF (Ulta High Fequency : GHz) VHF (Vey High Fequency : MHz) HF (High Fequency: 3-30 MHz) MF (Medium Fequency: MHz) LF (Low Fequency: khz) VLF (Vey Low Fequency : 3-30 khz) ELF (Exta Low Fequency : Hz) ULF (Ulta Low Fequency : < 3 Hz)

2 Especto EM Utilização 5 Especto EM Utilização 6 SHF (Supe High Fequency: 3-30 GHz) Wi-Fi UHF (Ulta High Fequency : GHz) TV 14 a 69 (470 a 806 MHz), Telefonia celula, Wi-Fi, Bluetooth, Fono de micoondas VHF (Vey High Fequency : MHz) TV canais a 6 (54 a 88 MHz), FM (88 a 108 MHz), TV 7 a 13 (174 a 16 MHz) HF (High Fequency: 3-30 MHz) Faixa Cidadão (CB Citizen Band): em tono de 7 MHz MF (Medium Fequency: MHz) 530 khz a 1,6 MHz Uso comecial: ondas longas LF (Low Fequency: khz) LORAN (LOng RAdio Navigation) caindo em desuso (GPS) VLF (Vey Low Fequency : 3-30 khz) Comunicação naval Especto útil 7 Skin depth 8 A pofundidade de exploação depende de alguns fatoes e, ente eles, a feqüência é fundamental. Quanto meno a feqüência, maio a penetação da onda EM. Na geofísica, tem-se aplicado os intevalos: UHF, VHF Gound Penetating Rada VLF (15-5 khz na pática), ELF, ULF. Métodos geofísicos eletomagnéticos clássicos. Uma onda plana, senoidal de feqüência ω, em um meio conduto, tem a sua amplitude eduzida expo - nencialmente com a distância popagada. "Skin depth" é a distância em que a amplitude da onda é atenuada pelo fato 1 e. É dada po 1 δ = = 503 ωμσ fσ onde μ é a pemeabilidade magnética e σ, a condutividade elética.

3 9 10 Skin depth Fontes de enegia "skin depth" (m) 1E+6 1E+5 1E+4 1E+3 1E+ 1E+1 Condutividade S/m 0,010 S/m 0,100 S/m 1,000 S/m 1E+0 0,01 0, Feqüência (Hz) Natuais: Paa feqüências acima de 1 Hz, pedominam as ondas iadiadas a pati dos elâmpagos que ocoem duante as tempestades (concentadas na egião equatoial), que se popagam a gandes distâncias. Paa feqüências abaixo de 1 Hz, pedominam as ondas iadiadas a pati do sistema de coentes eléticas que se desenvolvem na magnetosfea teeste, subodinada à atividade sola. Atificiais magnéticas Paa baixas feqüências, bobinas paa a geação de campos magnéticos pimáios, cujas áeas podem vaia de alguns cm a milhaes de m (etângulo com 600m x 600m), ou mais Fontes de enegia Fontes de enegia Sistema EM multifeqüência Retângulo com 600m x 600m Fio paalelo x 4mm Sistema EM multifeqüência Tansmisso Unidade de monitoamento da coente do tansmisso 600 m 600 m

4 Fontes de enegia 13 Fontes de enegia 14 Sistema EM multifeqüência Gupo geado Atificiais eléticas Paa altas feqüências (VHF-UHF), dipolos eléticos de 1m. Paa baixas feqüências (VLF) Antena Jim Ceek Estação NLK Póximo a Seattle Campos pimáio e secundáio 15 Campos pimáio e secundáio 16 Conceitos típicos da geofísica. Campo pimáio é o campo EM devido à fonte geadoa. Na ealidade não existem ondas planas mas, na pática, elas são consideadas quando a fonte enconta-se distante. O campo EM secundáio é aquele geado po um copo conduto quando este está sob a ação de um campo pimáio. De ceta foma, a luz efletida po um espelho é um campo secundáio. y fonte campo pimáio campo pimáio obsevado campo secundáio

5 Campos pimáio e secundáio 17 Campos pimáio e secundáio 18 A imagem fantasma no ecepto de TV é uma eflexão indesejada em obstáculos (edifícios) y antena de TV campo pimáio campo pimáio campo secundáio Copo conduto em um ambiente esistivo Campo magnético, pimáio, devido a bobina de eixo vetical campo secundáio supefície copo conduto supefície coentes eléticas Polaização elíptica 19 Polaização elíptica 0 Polaização elíptica: ocoe como combinação de dois campos que apontam em difeentes dieções e fases distintas. H S ( x, y, z, t) = H Sx i + H Campo magnético, secundáio, devido as coentes eléticas que ciculam num copo conduto induzidas pelo campo pimáio. Sy j + H z Sz k x coentes eléticas y H P ( x, y, z, t) = H Px i + H Py j + H Campo magnético, pimáio, devido a fonte de enegia. Pz k copo conduto Exemplo: E = a cos ωt φ Px ( ) e E = a cos( ωt φ ) Paa facilita a análise, considee : E = a cos Px ( ωt) e E = b cos( ωt π ) = bsen( ωt). Obseve a amplitude do campo total vaia com o tempo E Px Px + E Sy = a cos Removendo o tempo, Ou seja, uma elipse! Px Sy ( ωt) + b sen ( ωt) ( E a) + ( E b) Px Sy Sy Sy que nunca se anula Sy = 1.

6 1 Polaização elíptica Polaização elíptica Megulho do eixo maio da elipse de polaização ωt = 0 1 E x E y π 6 ( ω / 6) ( ω / 4) = 0,6 cos t π = 0,3 cos t π Elipse de polaização de dois campos que apontam em difeentes dieções e têm fases distintas. H S ( x, y, z, t) x π H P ( x, y, z, t) z coentes eléticas y pojeção da elipse no plano hoizontal copo conduto Polaização elíptica Onda plana Elipse de polaização de dois campos que apontam em difeentes dieções e têm fases distintas. θ, ângulo de megulho do eixo maio da elipse de polaização ("dip angle") z y x pojeção da elipse no plano hoizontal A apoximação de ondas planas de aplica quando a fonte da enegia EM enconta-se bastante afastada da zona de pesquisa. É o caso dos métodos VLF (Vey Low Fequency), AFMAG (Audio Fequency MAGnetic), MT (MagnetoTelúico). Na pática, o campo EM popaga-se veticalmente paa o inteio da supefície da Tea, devido ao gande contaste ente os númeos de onda do a e da tea.

7 Método VLF 5 Método VLF 6 As fontes de ondas VLF são potentes tansmissoes cuja função básica é a comunicação com submainos submesos. Atingem potências de até 1MW. A estutua das antenas tansmissoas desses sinais estendem-se po áeas de até,5 km. Tansmisso NLK: 4.8 khz, 15kW, apoximadamente,5 km a áea cobeta pela antena Antena Jim Ceek Estação NLK Póximo a Seattle Método VLF (tansmissoes) 7 Método VLF (ecepto) 8 Estação NAA Cutle, Maine 4 khz, 1000 kw Maca: Iis Instuments. O senso, levado às costas, inteliga-se a um contole das medições, visualização e amazenamento de dados. Mede (i) inclinação do eixo maio da elipse de polaização do campo magnético e (ii) esistividade apaente, com a medição do campo elético.

8 VLF: dique vetical enteado 9 VLF: dique vetical enteado 30 Paâmetos : σ1t1 : condutância tansvesal do dique poduto da condutividade pela espessua. σ : condutividade da encaixante númeo de indução μω σ L1 = ( σ1t1 ) "skin depth" da encaixante δ = μωσ 1 1 dique σ σ 1 t 1 Ângulo de megulho em gaus e elipsidade (- - --) em %. Condutância tansvesal σ1 t1 = 1 S, com encaixantes de esistividades divesas. Magneto-telúico (MT) 31 Magneto-telúico (MT) 3 Ondas EM de baixa feqüência penetam intensamente no inteio da Tea (odem de km). Conceito de esistividade apaente 1 E ρ xy = μω H obtido a pati dos campos elético e magnético, nomais ente si, medidos na supefície da Tea. O campo elético é medido com dois eletodos aplicados no solo, enquanto o campo magnético é medido po meio de uma bobina. x y Aplicações na investigação pofunda, po exemplo, de bacias sedimentaes. Atualmente, aplica-se também em ambientes mainhos paa a exploação de petóleo.

9 33 34 MT sobe camadas MT sobe camadas ρ apaente (ohm.m) em função da feqüência f (Hz) ρ apaente (ohm.m) em função da feqüência f (Hz) Valoes divesos de ρ ρ = ρ 1 = 1 ohm.m h 1 = 1000 m Valoes divesos de ρ ρ = ρ 1 = 1 ohm.m h 1 = 5000 m Configuações típicas 35 Domínio da feqüência Medições típicas 36 Configuações usuais em aplicações no domínio da feqüência. Máximo acoplamento: HCP,VCP, VCA. Mínimo acoplamento: PERP, NULL, PAR a 54,74 o T 54,74 O R HCP (Hoizontal Coplana) PERP (Pependicula) VCP (Vetical Coplana) VCA (Vetical Coaxial) NULL PAR (Paallel) H WAVETILT V WAVETILT Fase de um ou mais componentes espaciais em elação a coente na bobina tansmissoa. Dois componentes espaciais são, simultaneamente, captados e os esultados expessos como a azão ente as magnitudes dos componentes e a difeença de fase, ou os paâmetos da elipse de polaização. O megulho e, algumas vezes, a dieção hoizontal do campo são medidos atavés da otação da bobina eceptoa à pocua do sinal mínimo. As difeenças ente os mesmos componentes paa duas ou mais feqüências.

10 Fonte fixa e móvel s/ esfea 37 Foma da anomalia 38 Fonte fixa: a medida é associada à posição do ecepto. Fonte móvel: a medida é associada ao ponto médio ente as posições do tansmisso e do ecepto. T e R podem se tocados nos aanjos siméticos e a anomalia é simética quando o copo é simético em elação ao aanjo. Gealmente, aanjos assiméticos poduzem anomalias espelhadas ao se pemuta T po R sobe um copo simético. HCP s/ semi-plano conduto 39 Domínio do tempo 40 Mede-se o campo magnético duante o intevalo de tempo em que a coente no tansmisso está cotada. A voltagem detectada, popocional ao campo magnético, coesponde apenas ao campo secundáio, mesmo com o uso das configuações de acoplamento máximo.

11 Loop-loop s/ conduto plano 41 Loop-loop s/ conduto plano 4 Resposta TEM sistema HCP. Obseva a simetia Resposta TEM sistema HCP. Megulho p/ dieita Obseva a assimetia. Coincident loop sobe conduto plano 43 Levantamento aéeo 44 Obseva os valoes do campo secundáio continuam mais destacados sobe o copo conduto que megulha paa a dieita. Entetanto, o pico à esqueda está mais elevado elativamente. Pincípios de funcionamento. Campo pimáio atificial. Bobina tansmissoa instalada na asa.

12 Levantamento aéeo 45 Levantamento aéeo 46 Pincípios de funcionamento. Campo pimáio atificial. Bobinas tansmissoa e eceptoa a eboque. Método com o tansmisso fixo. A bobina fica montada dietamente sobe o teeno e são feitos sobevôos com o ecepto. Método INPUT 47 Método INPUT 48 Método com o tansmisso móvel. Método no domínio do tempo: as medidas são feitas duante os intevalos de tempo em que a coente no tansmisso inexiste, ou seja, sem a pesença do campo pimáio. Dois pefis de INPUT sobe locais povavelmente contendo sulfetos maciços.

13 49 50 CSEM CSEM CSEM (Contolled Souce ElectoMagnetics) O nome é bastante genéico mas tem-se destacado na exploação de petóleo, com levantamentos no fundo do ma, com o nome SBL. SBL (Sea Bed Logging) method Receptoes Espalhados no fundo do ma, medindo os campos eléticos em dieções otogonais (E x, E y ) e magnético(h z ). Tansmisso: Dipolo elético ebocado Feqüências no intevalo de 0,065 a 1,75 Hz. Na investigação paa petóleo Resistividade da água do ma da odem de 1 ohm.m Resistividade do esevatóio com óleo e gás, da odem de 55 ohm.m GPR Gound Penetating Rada 51 GPR 5 Unidade de contole, amazenamento, pocessamento e apesentação. Antenas tansmissoa e eceptoa (dipolos eléticos). É usado na geofísica, geologia, hidogeologia, mineação, engenhaia civil e aqueologia. A condutividade elética dos mateiais investigados e a feqüência de opeação deteminam a pofundidade de penetação dos sinais de ada no mateial. Enquanto nos demais métodos EM a pemissividade elética é despezada, é ela quem desempenha o papel impotante na patição da enegia nas intefaces no GPR, devido as altas feqüências usadas. A esolução do método aumenta com a feqüência do sinal, enquanto a penetação diminui. A pofundidade de penetação típica vaia de 1 a 40 metos. Além das antenas dipola, usam-se antenas-coneta (1,0 a,5 GHz) paa investigações do pavimento em estadas de odagem.

14 GPR 53 GPR 54 Pefil às magens da Lagoa de Abaeté Dois canos sob uma laje de conceto GPR 55 Bibliogafia: 56 Contaminação em um posto de gasolina. Casto, D. L., Castelo Banco, R. M. G., Cunha, L. S., Souza R. C. V. P. e Augusto, V. A., 001, Mapeamento de pluma contaminante de hidocabonetos a pati de seções GPR em um posto de abastecimento em Fotaleza-Ceaá, in: Anais do 7o. Cong. Inte. da SBGf, Salvado, Fischknecht, F. C., Labson, V. F., Spies, B. R. e Andeson, W. L., 1991, Pofiling methods using small souces. In: Nabighian, M. N., Electomagnetic methods in applied geophysics, V., Applications, p

15 Bibliogafia: 57 Bibliogafia: 58 McNeill, J. D. e Labson, V. F., 1991, Geological mapping using VLF adio fields. In: Nabighian, M. N., Electomagnetic methods in applied geophysics, V., Theoy, p Nabighian, M. N. e Macnae, J. C., 1991, Time domain electomagnetic pospecting methods. In: Nabighian, M. N., Electomagnetic methods in applied geophysics, V., Applications, p Palacky, G. J. e West, G. F., 1991, Aibone electomagnetic methods. In: Nabighian, M. N., Electomagnetic methods in applied geophysics, V., Applications, p Telfod, W. M., Geldat, L. P., Sheiff, R. E. e Keys, D. A., 1978, Applied geophysics. Cambidge Univesity Pess. Vozoff, K., 1991, The magnetotelluic method. In: Nabighian, M. N., Electomagnetic methods in applied geophysics, V., Applications, p