ZASTOSOWANIA ELEKTROMAGNETYZMU W NOWOCZESNYCH TECHNIKACH I INFORMATYCE

Transkrypt

1 POLSKIE TOWARZYSTWO ZASTOSOWAŃ ELEKTROMAGNETYZMU Współorganizatorzy: CENTRALNY INSTYTUT OCHRONY PRACY PAŃSTWOWY INSTYTUT BADAWCZY POLSKO-JAPOŃSKA WYŻSZA SZKOŁA TECHNIK KOMPUTEROWYCH POLITECHNIKA LUBELSKA AKADEMIA ROLNICZA W LUBLINIE ZASTOSOWANIA ELEKTROMAGNETYZMU W NOWOCZESNYCH TECHNIKACH I INFORMATYCE Zamość, 1 4 czerwca 2008 Warszawa Zamość 2008

2 Sympozjum zorganizowano przy finansowej pomocy Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego Copyright by Centralny Instytut Ochrony Pracy Państwowy Instytut Badawczy Warszawa 2008 ISSN ISBN Centralny Instytut Ochrony Pracy Państwowy Instytut Badawczy ul. Czerniakowska 16, Warszawa tel. (48-22) , fax (48-22)

3 XVIII SYMPOZJUM ŚRODOWISKOWE ZASTOSOWANIA ELEKTROMAGNETYZMU W NOWOCZESNYCH TECHNIKACH I INFORMATYCE Zamość, 1 4 czerwca 2008 Komitet naukowy Przewodniczący Andrzej Wac-Włodarczyk Członkowie Liliana Byczkowska-Lipińska Katarzyna Ciosk Aleksander Dackiewicz Krzysztof Kluszczyński Romuald Kotowski (sekretarz naukowy) Andrzej Krawczyk Roman Kubacki Jerzy Paweł Nowacki Anna Pławiak-Mowna Komitet organizacyjny Arkadiusz Miaskowski przewodniczący Agnieszka Byliniak Maja Duda

4

5 PROGRAMME of 2 nd Symposium on Applied Electromagnetics SAEM 08 and XVIII Symposium PTZE 08 16:00 registration 18:30 dinner SUNDAY :00 Opening ceremony MONDAY :15 11:30 1. ELECTROMAGNETICS IN PROGRESS (chairpersons: Lidija Petkovska, Andrzej Krawczyk) Mitsuhiko Toho The dawn of the electric age in Japan Jan Z. Szczygłowski Pro-ecological and pro-economical solutions in electric power engineering Robert Kosiński Permanent Magnets Demagnetizing Processes, Hysteresis, New Materials Witold Kosiński On the concept of fuzzy fractional derivative Miklos Kuczmann The Polarization Method Combined with the Newton-Raphson Technique in Magnetostatic Field Problems Koji Yamada, Jiaolian Luo Real Time Monitor for 2-D Magnetic Field Distribution 11:30 coffee break

6 11:30 13:30 2. ELECTRICAL MACHINES (chairpersons: Bojan Štumberger, Andrzej Wac-Włodarczyk) Miloš Beković, Anton Hamler, Viktor Goričan Experimentally determinate flux linkage curve for dynamic simulation of universal motor Goga Cvetkovski, Lidija Petkovska Comparative Analysis of Radial and Axial Field Permanent Magnet Motor Lidija Petkovska, Goga Cvetkovski Dynamic Simulation of a Fractional Horse Power Single-Phase Permanent Magnet Synchronous Motor Peter Pišek, Peter Virtič, Bojan Štumberger Back electromotive force and torque characteristic comparison of n-n and n-s type of multi-disc axial flux permanent magnet synchronous generator with coreless stator Bojan Štumberger, Gorazd Štumberger, Miralem Hadžiselimović, Tine Marčič, Peter Virtič, Peter Pišek and Mladen Trlep Modular permanent magnet synchronous motors for wheel hub-drive applications Gorazd Štumberger, Bojan Štumberger, Mihael Skornšek, Damir Žarko Magnetically nonlinear three-phase dynamic model of a permanent magnet machine composed of elementary phase winding Marcin Szczygieł Selection of construction of rotary-linear induction motor for given electromechanical characteristic using field method 13:30 lunch 14:30 16:00 3. ELECTROMAGNETIC MATERIALS (chairpersons: Goga Cvetkovski, Roman Kubacki) Barbara Atamaniuk, Andrzej J. Turski Wave Propagation and Diffusive Transition of Oscillations in Pair Plasmas with dust Krzysztof Chwastek, Jan Szczygłowski Estimation methods for the Jiles-Atherton model parameters a review Krzysztof Chwastek, Jan Szczygłowski Power dissipation in thin ferromagnetic sheets Barbara Gambin, Antoni Gałka Modeling of bone piezoelectricity Arkadiusz Miaskowski, Andrzej Bochniak, Andrzej Krawczyk Dielectric Constant and Layer Thickness Estimation of Pavements Using GPR Technique

7 Alexei Popov, Adam Ciarkowski Interaction of electromagnetic pulse with vertically non-homogeneous ionospheric layer Damir Žarko, Zlatko Maljković, Milutin Pavlica Estimating Magnetic Properties of Synchronous Generator's Materials 16:00 coffee break 16:30 18:00 4. ELECTROMAGNETIC VARIA (poster session) (chairpersons: Miklos Kuczman, Arkadiusz Miaskowski) Stanisław Apanasewicz O pewnych właściwościach składowej normalnej pola elektromagnetycznego na granicy metal-dielekryk Stanisław Apanasewicz, Stanisław Pawłowski, Jolanta Plewako Badanie rozpraszania fali płaskiej na naroże metalowe Barbara Atamaniuk, Andrzej J. Turski, Alexander S. Volokitin Plasma wave modifications in the presence of dust Karol Bednarek Obliczenia elektrodynamiczne i efektywność metod optymalizacyjnych w kształtowaniu procesu optymalizacji szynoprzewodów Przemysław Berowski, Magdalena Stasiak Level set method applied to shape modelling in EIT Katarzyna Ciosk Calculation of SAR in biological objects with different parameters Agnieszka Duraj, Andrzej Krawczyk Bezprzewodowe monitorowanie i telediagnostyka Aleksander Gąsiorski, Zdzisław Posyłek Weryfikacje analityczna i laboratoryjna pomiarów emisyjności w komorze GTEM Aleksander Gąsiorski, Zdzisław Posyłek Problematyka kompatybilności elektromagnetycznej w kształceniu studentów Wydziału Elektrycznego Politechniki Częstochowskiej Zygmunt J. Grabarczyk The method of the measurement of mean value of the electric charge of aerosol particles µm Wanda Gryglewicz-Kacerka, Henryk Małecki, Janusz F. Kacerka Energia molekuły i jej stany kwantowe Georgi Hadzi-Manev, Goga Cvetkovski Technical Regulations for Grid Connected Wind Turbines Power Quality Issues

8 Mariana Iorgulescu, Robert Beloiu Induction motors modelling for faults diagnosis Leszek Kasprzyk Zastosowanie obliczeń równoległych do wyznaczanie rozkładu pola świetlnego Eva Katona, Miklos Kuczmann ANA Advenced Network Analysis Java Software Package for Analizing, Designing, and Real Time Testing Networks and Systems Gergely Kovács, Miklós Kuczmann Simulation of a Magnetic Flux Leakage System Joanna Kozieł, Tadeusz Janowski, Sławomir Kozak Analiza przydatności wytwarzanych przewodów nadprzewodnikowych na uzwojenie wtórne nadprzewodnikowych ograniczników prądu typu transformatorowego Andrzej Krawczyk, Jolanta Plewako, Barbara Grochowicz Stymulacja elektromagnetyczna nerwu błędnego w terapii antyotyłościowej Miklos Kuczman Nodal and Edge Finite Element Analysis of Eddy Current Field Problems Piotr Lipinski Prediction of Oil Temperature for Substation Distribution Transformers using Wavelet Neural Networks Mira Lisiecka-Biełanowicz, Andrzej Krawczyk, Adam Lusawa Wpływ środowiska terapeutycznego na skuteczność terapii polem elektromagnetycznym Tamás Ludvig, Miklós Kuczmann Controller design and simulation of a Radial Active Magnetic Bearing Paweł A. Mazurek Hakerzy kontra kardiostymulatory Mariusz Najgebauer Teoria skalowania w elektromagnetyzmie Pece Naumovski, Goran Rafajlovski, Vlatko Stoilkov Compesation of dead-time for voltage source inverters Vitalij Nichoga, Eugeniusz Grudziński, Petro Dub, Viktor Ivanchuk Application of alternating magnetic fields for technical diagnostics of the rail damages Anna Pławiak-Mowna, Andrzej Krawczyk Cardiac Implant Patients Exposure on Electromagnetic Field Krzysztof Polakowski, Stefan F. Filipowicz, Jan Sikora The Tomography Use in Monitoring of Hydrogen in the Car Systems Czesław Rymarz Czy świat realny jest poznawalny?

9 Magdalena Stasiak, Przemysław Berowski Diffuse optical tomography in biomedical application Paweł Surdacki Warunki zanikania nadprzewodzenia w nisko- i wysokotemperaturowych urządzeniach nadprzewodnikowych Alexander S. Volokitin, Barbara Atamaniuk Plasma waves in ionosphere Bogusław Wisz Capacitance calculation for deflected conductive path system in hybrid microcircuit 18:15 departure for country supper 9:00 11:00 TUESDAY ELECTROMAGNETICS IN POWER ELECTRONICS & SYSTEM (chairpersons: Damijan Miljavec, Anna Pławiak-Mowna) Miralem Hadžiselimović, Bojan Štumberger, Tine Marčič, Peter Virtič, Gorazd Štumberger, Ivan Zagradišnik The impact of a winding type on the operational characteristics of converter-fed squirrel-cage motor Paweł Kielan Investigation of time delays existed in the TCP\IP\ETHERNET network on control system properties Elżbieta Leśniewska, Wiesław Jałmużny Influence of external magnetic field on operation of electromagnetic current-to-voltage transducer Tine Marčič, Bojan Štumberger, Gorazd Štumberger, Miralem Hadžiselimović, Peter Virtič, Janko Horvat, Drago Dolinar, Ivan Zagradišnik Modeling of a two-phase synchronous reluctance motor Zoltán Pólik, Miklós Kuczmann Examination and Development of Radio Frequency Inductor Vlatko Stoilkov The EMC/EMF Intrusion Assessment of Wind Generators Tomasz Trawiński Double layered head positioning system with five degrees of freedom Mykhaylo V. Zagirnyak, B.I. Nevzlin, D.V. Polovinka Computation of transient response in high-frequency diode capacitance bridges

10 11:00 coffee break 11:30 13:30 6. ELECTROMAGNETICS IN MEDICINE & BIOLOGY (chairpersons: Koji Yamada, Krzysztof Kluszczyński) Marek P. Dabrowski, Wanda Stankiewicz, Anna Jung, Wojciech Witkowski, Bolesław Kalicki Clinical and immunological effects of magnetostimulation in children with recurrent infections of respiratory tracts Roman Kubacki, Jarosław Kieliszek, Marian Wnuk Possible Approximations of Mathematical Expression of the Electric Near-Field Simulation for the Human Protection Purposis Maciej Łopucki, Stanisław Pietruszewski, Wanda Rogowska Application of dual closed human placental cotyledon perfusion in vitro model in the studies on EMF effects on human tissue Arkadiusz Miaskowski, Andrzej Krawczyk, Andrzej Wac-Wlodarczyk The Implementation of FDTD Technique to Investigation of Interference Voltage at Cardiac Pacemaker with Simultaneous Sources Lidija Ololoska, Ljuben Janev A contribution on detrmination of emf influences and effects from human exposure on elf electromagnetic field Jaromir Sobiech, R. Puta, Jarosław Kieliszek Impact of Mounting of Radio- and Radar-Devices on Electromagnetic Field Exposure of Small Watercraft Personnel Joanna Wyszkowska, Maria Stankiewicz Influence of EMF on the cockroach escape system 13:30 lunch 14:30 16:30 7. COMPUTATIONAL ELECTROMAGNETICS I (chairpersons: Gorazd Štumberger, Katarzyna Ciosk) Barbara Gambin, Antoni Gałka Prediction of bone damage based on strength surface of piezoelectric composite Klemen Deželak, Gorazd Štumberger, Beno Klopčič, Drago Dolinar, Jože Pihler Iron core saturation detector supplemented by an artificial neural network Matjaž Gaber, Mladen Trlep The use of bezier patches in postprocesing of 2d calculations with fem Lovrenc Gašparin, Rastko Fišer Detection and fem analysis of additional cogging torque components in pm motors

11 Daniel Marcsa, Miklos Kuczmann Numerical Analysis of Single- and Three-Phase Induction Motors Sašo Martinovski, Lidija Petkovska Coupling Circuit Equations and FEM for Induction Motor Analysis 16:30 coffee break 17:00 sightseeing of Zamość 19:30 conference dinner 9:00 10:30 8. COMPUTATIONAL ELECTROMAGNETICS II (chairpersons: Rastko Fiser, Jan Sikora) WEDNESDAY Adrijana Milevska, Lidija Petkovska, Goran Mojsoski, Branislav Dosijanoski FE analysis of a small three-phase linear induction motor Jelena Popović Stochastic method for simulation of partial discharges spread in 2D and 3D model of the switchgear partition wall Snezana Cundeva, Marija Cundeva-Blajer, Ljupco Arsov FEM coupled with GA for special transformers optimal design in transient regimes Vesna Trajkovska, Lidija Petkovska, Goga Cvetkovski 3D fem analysis of a self-starting single-phase permanent magnet synchronous motor Peter Virtič, Peter Pišek, Tine Marčič, Miralem Hadžiselimovič, Bojan Štumberger Design and construction of low cost axial flux permanent magnet synchronous motor using analytical method Mykhaylo V. Zagirnyak, M.U. Branspiz About computation of an circular electromagnet with an opening in the central pole 10:30 coffee break

12 11:00 12:45 9. COUPLED FIELDS (chairpersons: Vlatko Stoilkov, Jan Szczygłowski) Primož Bajec, Peter Uršič, Gverino Ratoša, Damijan Miljavec Brush-Less Direct Current Machine Coupled with Internal Combustion Engines Peter Kitak, Jelena Popović, Adnan Glotić Thermal Analysis of Eddy Currents Phenomena Based on Independent Parametric Simulation Model Zlatko Kolondzovski Thermal Study of Retaining Sleeves for a High-Speed Permanent Magnet Electrical Machine Romuald Kotowski, Vladimir I. Alshits, Piotr Tronczyk Computer Simulation of The Influence of Thermal and Magnetic Fields on the Plasticity of Nonmagnetic Materials Tomasz Rymarczyk, Stefan F. Filipowicz, Jan Sikora, Krzysztof Polakowski Level Set Methods for an Inverse Problem in Electrical Impedance Tomography Irina Shvedchikova, Nataliya Sukharevskaya The Structural Synthesis of Electromagnetic Systems of Magnetic Separators 12:45 closing 13:00 lunch

13 SPIS REFERATÓW Stanisław Apanasewicz O pewnych właściwościach składowej normalnej pola elektromagnetycznego na granicy metal-dielekryk Stanisław Apanasewicz, Stanisław Pawłowski, Jolanta Plewako Badanie rozpraszania fali płaskiej na naroże metalowe Barbara Atamaniuk, Andrzej J. Turski, Alexander S. Volokitin Plasma Wave Modifications in the Presence of Dust Karol Bednarek Obliczenia elektrodynamiczne i efektywność metod optymalizacyjnych w kształtowaniu procesu optymalizacji szynoprzewodów Przemysław Berowski, Magdalena Stasiak Level Set Method Applied To Shape Modelling in EIT Katarzyna Ciosk Calculation of SAR in Biological Objects with Different Parameters Agnieszka Duraj, Andrzej Krawczyk Bezprzewodowe monitorowanie i telediagnostyka Aleksander Gąsiorski, Zdzisław Posyłek Problematyka kompatybilności elektromagnetycznej w kształceniu studentów wydziału elektrycznego politechniki częstochowskiej Aleksander Gąsiorski, Zdzisław Posyłek Weryfikacje analityczna i laboratoryjna pomiarów emisyjności w komorze GTEM Wanda Gryglewicz-Kacerka, Henryk Małecki, Janusz F. Kacerka Energia molekuły i jej stany kwantowe Leszek Kasprzyk Zastosowanie obliczeń równoległych do wyznaczanie rozkładu pola świetlnego... 41

14 Paweł Kielan Badanie wpływu opóźnień w sieci TCP/IP/ETHERNET na układ regulacji Robert A. Kosiński Magnesy trwałe przemagnesowanie, histereza, współczesne materiały Romuald Kotowski, Vladimir I. Alshits, Piotr Tronczyk Computer Simulation of the Influence of Thermal and Magneticfields on the Plasticity of Nonmagnetic Crystals Symulacja komputerowa wpływu pól termicznych i magnetycznych na plastyczność niemagnetycznych ciał krystalicznych Joanna Kozieł, Tadeusz Janowski, Sławomir Kozak Analiza przydatności wytwarzanych przewodów nadprzewodnikowych na uzwojenie wtórne nadprzewodnikowych ograniczników prądu typu transformatorowego Andrzej Krawczyk, Jolanta Plewako, Barbara Grochowicz Stymulacja elektromagnetyczna nerwu błędnego w terapii antyotyłościowej Roman Kubacki, Jarosław Kieliszek, Marian Wnuk Możliwości zastosowania aproksymacji zależności w polu bliskim anten mikrofalowych w ocenie narażenia ludzi i środowiska Mira Lisiecka-Biełanowicz, Andrzej Krawczyk, Adam Lusawa Wpływ środowiska terapeutycznego na skuteczność terapii polem elektromagnetycznym Maciej Łopucki, Stanisław Pietruszewski, Wanda Rogowska Zastosowanie modelu dwustronnej zamkniętej perfuzji zrazika łożyska ludzkiego w warunkach in vitro w badaniach nad oddziaływaniem PEM na ludzkie tkanki Paweł A. Mazurek Hakerzy kontra kardiostymulatory Mariusz Najgebauer Teoria skalowania w elektromagnetyzmie Vitalij Nichoga, Eugeniusz Grudziński, Petro Dub, Viktor Ivanchuk Application of Alternating Magnetic Fieldsfor Technical Diagnostics of the Rail Damages Czesław Rymarz Czy świat realny jest poznawalny?... 81

15 Jaromir Sobiech, Roman Puta, Jarosław Kieliszek Wpływ montażu urządzeń radiowych i radiolokacyjnych na małych jednostkach pływających na ekspozycję pracowników na pola elektromagnetyczne Magdalena Stasiak, Przemysław Berowski Diffuse optical tomography in biomedical application Paweł Surdacki Warunki zanikania nadprzewodzenia w nisko- i wysokotemperaturowych urządzeniach nadprzewodnikowych Marcin Szczygieł Dobór konstrukcji silnika indukcyjnego obrotowo-liniowego do zadanej charakterystyki elektromechanicznej przy wykorzystaniu metod polowych Mitsuhiko Toho Początki elektryzacji Japonii Tomasz Trawiński Dwuwarstwowy system pozycjonowania głowic pamięci masowych o 5 stopniach swobody Alexander S. Volokitin, Barbara Atamaniuk Plasma Waves in Ionosphere Joanna Wyszkowska, Maria Stankiewicz Zmiany funkcjonowania układu ucieczki karaczana pod wpływem działania ELF pola magnetycznego

16

17 O PEWNYCH WŁAŚCIWOŚCIACH SKŁADOWEJ NORMALNEJ POLA ELEKTROMAGNETYCZNEGO NA GRANICY METAL-DIELEKRYK Stanisław Apanasewicz Politechnika Rzeszowska Wśród wielu inżynierów panuje przekonanie, że oprócz dwóch klasycznych warunków brzegowych elektrodynamiki (ciągłość składowych stycznych natężenia pola elektrycznego i magnetycznego) należy zakładać, że na powierzchni metalu i środowiska nieprzewodzącego składowa normalna pola elektrycznego (gęstość prądu) musi być równa zero. Tak w rzeczywistości nie jest. Ta składowa, w niektórych przypadkach musi być równa zero, z założenia, w innych jej zerowanie się wynika z pozostałych warunków. I można podać przykłady, kiedy wymieniona składowa jest różna od zera. Przedstawiona praca ma na celu dostarczenie takich przykładów. Są zaprezentowane trzy takie przykłady dostatecznie elementarne by można było otrzymać rozwiązania równań Maxwella w przejrzystej prostej postaci. Są to następujące przykłady: 1. Przepływ prądu w niejednorodnym nieskończenie długim przewodzie kołowym (utworzonym z dwóch półwalców z różnych metali). W tym przypadku i dwu następnych występuje składowa pola elektrycznego poprzeczna do powierzchni metalowej; w rozpatrywanym przykładzie należy zakładać, że musi się ona zerować na powierzchni. 2. Przepływ prądu w przewodzie walcowym jednorodnym. Jeśli występuje zmiana prądu wzdłuż przewodu (λ 0) to składowa normalna gęstości prądu na powierzchni musi być różna od zera. 3. Rozpraszanie fali płaskiej padającej na ścianę metalową. W tym przykładzie uwzględniono prądy wirowe w metalu i wykazano, że składowa normalna pola elektrycznego jest różna od zera na powierzchni metalu. Wymienione składowe na powierzchni metalu są proporcjonalne do gęstości ładunków elektrycznych. Jak na razie z moich obserwacji wynika, że składowa normalna pola elektrycznego jest różna od zera na powierzchni metalowej, gdy są uwzględniane prądy przesunięcia Maxwella. 17

18

19 BADANIE ROZPRASZANIA FALI PŁASKIEJ NA NAROŻE METALOWE Stanisław Apanasewicz, Stanisław Pawłowski, Jolanta Plewako Politechnika Rzeszowska Przedstawiona praca należy do cyklu badań pola elektromagnetycznego w otoczeniu obszarów z narożem metalowym. W niniejszym referacie chodzi o rozpraszanie fali płaskiej przez naroże metalowe jak ilustruje poniższy rysunek: y x ϕ Fala płaska pada na ćwierćprzestrzeń metalową i jest rozpraszana. Rozpatrywane są dwa rodzaje padających fal: a) b) gdzie - amplituda zespolona natężenia pola elektrycznego, - amplituda zespolona pola magnetycznego = = Pole całkowite jest sumą pola padającego i rozproszonego:, Dla pierwszego rodzaju fal odpowiednią analizę przedstawiono w referacie na ISEF 07 w Pradze. Poniżej przedstawiamy metodę analizy dla drugiego rodzaju. 19

20 W przypadku ściany płaskiej w obu przypadkach pole rozproszone jest identyczne a w przypadku istnienia naroża występują istotne różnice. W obu przypadkach rozwiązanie równań Maxwella dla zespolonych amplitud pola rozproszenia poszukiwane są w postaci całek Fouriera:, Zakładając, że funkcje i są ciągłe na liniach x=0, y 0 oraz x 0 i y=0 oraz, że składowe styczne pola elektrycznego znikają na powierzchni metalowej, możemy obliczyć funkcje podcałkowe. Ich obliczenie wymaga rozwiązania równania całkowego typu: Funkcje są różne dla obu typu przedstawionych fal. 20

21 PLASMA WAVE MODIFICATIONS IN THE PRESENCE OF DUST Barbara Atamaniuk (1), Andrzej J. Turski (1) Alexander S. Volokitin (2) (1) Institute of Fundamental Technological Research, PAS, Warsaw, Poland (2) Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation, Moscow, Russia Abstract The study of waves and instabilities has always been important in plasma physics. Physics of dusty plasmas is recently studied intensively because of its importance for a number of applications in space plasmas, earth s environment as well as in the laboratory. Dusty plasma consists of charged dust grain embedded in ambient plasma. Depending on their concentrations, one has isolated screened dust grains (dust-in-plasma) or real collective dusty plasmas where the charged dust participated in Debye screening. We shall mainly discuss space dusty plasmas although many of the conclusions are valid for the laboratory plasmas as well. We call ''dusty plasma'' when number of grains in Debye sphere is greater than one and ''dust in a plasma'' when number density of grains is less than one. The presence of dust in astrophysical environments has been known for a long time, from different types of remote observations, as for the dust around and between stars. There are beautiful examples of dust, like the molecular clouds seen in the Orion, Coalsack, Horsehead and Eagle nebulae. We observe these because of the attenuation and extinction of the light coming from more distant stars. There is also plenty of dust in the heliosphere, associated with planetary rings, cometary comae and tails, meteoric impacts... The simplest way, theoretically, dust effects have been investigated by extending the usual two component treatment of plasmas with the addition of third component the dust. In dusty plasma, a large fraction of the negative charge ids bound to the particles. The depletion of electrons by absorption on the dust particle affects all kinds of plasma wave mode. Due to the unusually low charge-to-mass ratio of the dust, the characteristic dust frequencies are well below those typical for typical plasma. Small characteristic frequencies will give rise to new low-frequency eigenmodes of the combined plasma, clearly separated from the usual plasma modes. One striking aspect of these dust waves is that they can be imaged by video camera recording scattered light. In this presentation we make some review and we give some particular examples of waves in dusty plasmas. This research is supported by KBN grant 0TOOA

22

23 OBLICZENIA ELEKTRODYNAMICZNE I EFEKTYWNOŚĆ METOD OPTYMALIZACYJNYCH W KSZTAŁTOWANIU PROCESU OPTYMALIZACJI SZYNOPRZEWODÓW Karol Bednarek Politechnika Poznańska, Instytut Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej Wstęp W projektowaniu współczesnych urządzeń technicznych bardzo ważnymi elementami tego procesu są: właściwe (z odpowiednią dokładnością) przeprowadzenie obliczeń parametrów elektrodynamicznych (istotnych z punktu widzenia funkcjonowania tych urządzeń) oraz prawidłowo przeprowadzony proces poszukiwań optymalizacyjnych (trafnie dobrane metoda optymalizacji i funkcja kryterialna). W pracy zajęto się trójfazowymi torami wielkoprądowymi (szynoprzewodami). Przeanalizowano różne warianty doboru metody optymalizacji ich konstrukcji, jak również oceniono wpływ na wyniki optymalizacji najważniejszych parametrów tych urządzeń. Opis układu i obliczeń elektrodynamicznych Obiektem analiz jest trójfazowy tor wielkoprądowy zbudowany z trzech przewodów rurowych o przekroju owalnym, rozmieszczonych symetrycznie wewnątrz wspólnej dla nich cylindrycznej osłony. W układzie jest pięć zmiennych niezależnych, determinujących geometrię przewodów i osłony oraz rozmieszczenie przewodów w osłonie [1,2]. Bardzo istotnym elementem procesu projektowania tych urządzeń jest obliczanie parametrów elektrodynamicznych, ważnych z punktu widzenia ich właściwego funkcjonowania. Punktem wyjścia w analizach elektromagnetycznych jest sformułowanie zależności na magnetyczny potencjał wektorowy dla poszczególnych podobszarów w układzie. Na podstawie tych zależności uzyskuje się równanie całkowe (Fredholma) na rozkład gęstości prądu w przewodach i osłonie. Znajomość rozkładu gęstości prądu pozwala na obliczenie strat mocy w układzie, temperatur przewodów i osłony oraz oddziałujących sił elektrodynamicznych [1,2]. Kontrolowana jest również wytrzymałość elektryczna układu. Obliczane wielkości elektrodynamiczne stanowią ograniczenia w procesie optymalizacji konstrukcji torów, a jednocześnie wpływają na uzyskiwane koszty produkcji i eksploatacji, jak również na kształtowanie się parametrów geometrycznych optymalizowanych obiektów. Autor pracy przeprowadził wielowariantowe analizy wyników optymalizacji konstrukcji szynoprzewodów. Dowiodły one, iż (przy stosowanych w praktyce parametrach eksploatacyj- 23

24 nych) rezultaty optymalizacji zależą przede wszystkim od oddziaływań prądowych, a szczególnie od warunków termicznych. Niewielki natomiast wpływ obserwuje się ze względów napięciowych (wytrzymałości elektrycznej). Wynika stąd, że warto uprecyzyjnić model matematyczny obliczeń temperatur w układzie (uwzględnienie sprzężenia obliczeń elektromagnetycznych i cieplnych), natomiast naprężenia elektryczne wystarczy kontrolować wykorzystując zależności analityczne. Zagadnienia optymalizacyjne Funkcja kryterialna jest skonstruowana w postaci sumy kosztów: inwestycyjnych k i (związanych ze zużyciem materiału konstrukcyjnego do produkcji szynoprzewodów) oraz eksploatacyjnych k e (związanych ze stratami energetycznymi w założonym czasie użytkowania tych urządzeń). Ograniczeniami w procesie optymalizacji są dopuszczalne parametry elektrodynamiczne (temperatury przewodów i osłony, siły elektrodynamiczne, naprężenia elektryczne), jak również realne relacje między wymiarami geometrycznymi w układzie. Ograniczenia zostały włączone do funkcji kryterialnej poprzez sformułowanie funkcji kary. W analizach optymalizacyjnych zastosowano następujące metody [1,3]: Monte Carlo (MC - losową), Gausa-Seidla (GS - klasyczne podejście deterministyczne), gradientu prostego (GP - gradientową), największego spadku (NS - gradientową z minimalizacją w kierunku), kierunków sprzężonych (KS - zmiennej metryki) oraz algorytmy genetyczne (AG - metoda ewolucyjna). Badano efektywność wymienionych metod ze względu na uzyskiwane wyniki oraz czas trwania obliczeń. Wyniki przeprowadzonych obliczeń W przypadku funkcji wielomodalnych metody deterministyczne (GS, GP, NS, KS) utykają najczęściej w jednym z wielu optimów lokalnych (nie osiągają rzeczywistego punktu optymalnego). Optimum w sensie globalnym uzyskują tylko metody niedeterministyczne (AG i MC). Godnym uwagi rozwiązaniem może być też połączenie metod niedeterministycznych (wyznaczanie punktu startowego) z deterministycznymi (dokładne ustalenie optimum). W pracy porównano metodę AG z metodami: GS, GP, NS oraz KS działającymi w połączeniu z metodą MC. Wyniki analiz zamieszczono na rys. 1. Rys. 1. Względny czas obliczeń T/Tag oraz względna wartość funkcji kryterialnej F/Fag poszczególnych metod (łączonych z MC) w odniesieniu do wartości dla metody AG. Uwagi i wnioski W przypadku połączenia metod niedeterministycznych z deterministycznymi uzyskuje się punkt optymalny z dużą dokładnością (nieefektywna jest tylko metoda GS). Nieznacznie 24

25 gorsze wyniki otrzymuje się metodą AG, przy czym obliczenia trwają krócej. Najważniejszymi jednak zaletami AG w porównaniu z innymi metodami są: wyłonienie obok optimum globalnego optimów lokalnych o wartościach bardzo zbliżonych do optimum globalnego (często interesujących ze względów technologicznych) oraz możliwość łatwego zrównoleglenia obliczeń i znacznego przyspieszenia czasu uzyskiwania wyników. Dzięki przeprowadzonym analizom uzyskano informacje o zasadności wyboru i efektywności przyjętej metody optymalizacyjnej oraz o trafności w rozłożeniu akcentów związanych z dokładnościami obliczeń poszczególnych parametrów elektrodynamicznych. Bibliografia [1] Bednarek K.: Electrodynamical and optimization problems of oval three-phase heavy current lines, Boundary Field Problems and Computer Simulation, 46 th thematic issue, series 5: Computer Science, Scientific Proceedings of Riga Technical University, Riga 2004, p [2] Bednarek K.: Parametry cieplne w trójfazowych torach wielkoprądowych, Przegląd Elektrotechniczny, nr 12, 2005, s [3] Findeisen W., Szymanowski J., Wierzbicki A.: Teoria i metody obliczeniowe optymalizacji, PWN, Warszawa

26

27 LEVEL SET METHOD APPLIED TO SHAPE MODELLING IN EIT Przemysław Berowski 1, Magdalena Stasiak 2 1 Electrotechnical Institute, Pożaryskiego 28, Warsaw, p.berowski@iel.waw.pl 2 Department of Electrical Apparatus, Technical University of Lodz, Stefanowskiego 18/22, Lodz, stasiak@p.lodz.pl In our case the level set method approach in the inverse problem solution is used. The model of the forward problem is consisted of two spatially homogenous areas with different conductivity. The inverse problem solution provides the identification the position and the shape of the inside object. The inverse problem in Electrical Impedance Tomography (EIT) is highly nonlinear, because the current flow strongly depends on the unknown conductivity within the object. The solution of the inverse problem in EIT is significantly more difficult than e.g. X-ray computed tomography, where the photon paths are essentially straight lines. Furthermore, the problem is ill-posed due to its instability small errors in the measurements can produce large errors in reconstruction of conductivity. There are many different algorithms for inverse problem solution: deterministic methods (e.g. back-projection, perturbation, and Newton- Raphson, Conjugate Gradient method), stochastic methods (e.g. Genetic Algorithms, Monte- Carlo method, Simulated Annealing, and also Artificial Neural Network (ANN). Level set methods are proposed as a versatile tool for representing moving fronts in a variety of physical processes, involving flow phenomena, crystal growth and phase changes among others. The use level set methods for inverse problem in EIT received little attention so far. The combination level set formulation to describe the shapes of the domains with essentially nonoscilatory schemes to solve the Hamilton-Jacobi equation is efficient method for wide class of problems involving partial differential equation. In the full paper we are going to present experiments indicated efficiency of combination level set method with BEM to the solution forward and inverse problem in EIT. References 1. Aliabadi M.H., The Boundary Element Method, Volume 2, John Wiley &Sons, LTD, Berowski P., Stasiak M., Kwiatkowska A., Sikora J., Level Set Method and Material Derivative Concept in Optimal Shape Design, XIV International Symposium on Theoretical Electrical Engineering, Szczecin, Poland, Bertsekas D.P., Nedic A, Ozdaglar A.E., Convex Analysis and Optimization, Athena Scientific, Belmont,

28 4. de Munk J.C., Faes T.J.C., Heethaar R.M., The Boundary Element Method in the Forward and Inverse Problem of Electrical Impedance Tomography, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. 47, No. 6, pp , June Osher S., Santosa F., Level set methods for optimization problems involving geometry and constraints, Journal of Comput. Physics 171, pp , Saulnier G.J., Blue R. S., Newell J. C., Isaacson D., Edic P. M., Electrical Impedance Tomography, IEEE Signal Processing Magazine, pp.31-43, November Sethian J.A., Level Set Methods and Fast Marching Methods. Cambridge University Press,

29 CALCULATION OF SAR IN BIOLOGICAL OBJECTS WITH DIFFERENT PARAMETERS Katarzyna Ciosk Kielce University of Technology, Poland Introduction The use of wireless personal communication devices, especcialy cellular telephones has increased rapidly during last decade. Cellular communication systems require the use of many base stations located throughout a service area and it is necessary to install antenas on residential and public buildings. Hence, a general public concern about possible electromagnetic hazards coming from these wireless communication sources has emerged in the last years. The SAR (Specific Absorption Rate) coefficient is recommended as parameter to determine the energy absorbed by the body exposed to electromagnetic field. The SAR takes into account the incient electromagnetic field parameters and also parameters of the body subjected to electromagnetic field. Value of SAR depends on the incident field parameters such the intensity, polarization [1] and frequency [2]. The absorption of electromagnetic field depends also on parameters of object such as size, shape and orientation. SAR is higher when the body is more perpendicular than parallel to an incident field. It is also higher when the cross section of the body perpendicular to the incident magnetic field is larger. The aims of this study is to analyse the influence of the body shape and electrical properties on whole body SAR in spheroidal biological object shown in Fig.1. z E H x k y Fig. 1. Schematic diagram of spheroidal model Method of calculation To trace the influence of body properties on the value of the whole-body SAR the calculations were made. The values of the SAR were calculated based on the calculating of the electric field strength distribution inside the body. The model as a prolate spheroid with major axis 29

30 l is shown in Fig.1. The spheroid is an isotropic lossy dielectric. Time-harmonic fields with the time-dependence e jωt as a uniform plane wave are suppressed. The external medium is assumed to be free space. The relative permittivity ε -jε and the conductivity of tissue depend on frequency. European Standard EN establishes values of ε, γ for fantom liquid at mobile frequency band MHz to be used in SAR calculations. The simulations were done for GSM frequencies used in mobile telephony: 900 MHz and 1800 MHz. The rms value of the electric field strength incident was 61,4 V/m. The values of the SAR were calculated using semi-analytical method. The method of calculations was described in [3]. The SAR for different configuration have been calculated. The spheroidal body dimensions taken into account are corresponding to dimensions of human body. Results Regarding statistical data avaible on human height and body mass 18 models were considered. The conductivity and permeability of tissues of young organism are higer comparing to the adult organism. In Figure 2 values of SAR at polarization H and two frequencies have been presented in relation of longer axis l of the body. The variation of the SAR at 900MHz is observed to be rather small. The SAR has larger value at larger frequency and the values of SAR in the body depend on dimensions of the body. The values of the SAR are higer for young person and they correspond to higer values of conductivity and permeability of tissues of young organism comparing to the adult organism SAR [W/kg] MHz MHz l [cm] Fig. 2. Calculated values of SAR at polarization H. References [1] Ciosk K., Krawczyk A., Kubacki R.: The influence of the electromagnetic wave parameters on SAR coefficient, in: Electromagnetic Fields in Mechatronics, Electrical and Electronic Engineering (eds. A.Krawczyk, S.Wiak, X.M.Lopez-Fernandez), IOS Press, Amsterdam 2006 [2] Ciosk K., Krawczyk A: The influence of the electromagnetic wave frequency on SAR in biological object., EHE 06, Madeira, pp [3] Ciosk, A. Krawczyk, R. Kubacki, The comparison of phantom model and simulation results in SAR analysis, in: Computer Engineering in Applied Electromagnetism (eds. S. Wiak, A. Krawczyk, M. Trlep), Springer,

31 BEZPRZEWODOWE MONITOROWANIE I TELEDIAGNOSTYKA Agnieszka Duraj 1, Andrzej Krawczyk 2 1 Politechnika Łódzka, Instytut Informatyki, 2 Centralny Instytut Ochrony Pracy Państwowy Instytut Badawczy Wstęp Współczesna technika komunikacji bezprzewodowej spowodowała ogromny postęp w telediagnostyce i monitorowaniu stanów zdrowotnych na odległość. Oprócz szeroko stosowanego bezprzewodowego monitorowanie implantów kardiologicznych (stymulatorów i implantowanych kardiowerterów-defibrylatorów) wprowadza się coraz częściej monitorowane innych implantów elektronicznych a także diagnozowanie stanów chorobowych. Poniżej przedstawione są podstawowe dane o obiektach diagnostyki i monitorowania, a także techniki ich realizacji. Podstawowe wymagania diagnostyki elektromagnetycznej Bezprzewodowe diagnozowanie i monitorowanie jest lub będzie prowadzone w przypadkach, w których istnieje możliwość wygenerowania sygnału elektromagnetycznego, niosącego informację o dysfunkcji organu pacjenta lub o stanie bieżącej aktywności organu. W przyszłości mogą to być niemal wszystkie organy, a patrząc na sprawę z obecnego punktu widzenia można wyliczyć kilka przykładowych obiektów diagnozujących i monitorujących: kardiostymulatory, poziom glukozy, pompy insulinowe, stymulatory słuchu, monitorowanie stanu zdrowia, wyposażenie medyczne i wskaźniki bezpieczeństwa. Niektóre z tych aplikacji zostały już zatwierdzone przez amerykańskie agencje FDA (agencja ds. leków i żywności) i FCC (komisja ds. komunikacji) [1]. Najprostszy system komunikacji bezprzewodowej można zobrazować linią: implantowany stymulator serca (sygnał pierwotny) komputer domowy (sygnał przetworzony do transmisji danych) telefon lekarza, bądź informacja w sieci komputerowej (przetwarzanie sygnału) telefoniczne dyspozycje dla pacjenta (rozpoznanie i podjęte działanie terapeutyczne). Komputer domowy może być zastąpiony telefonem komórkowym, co pozwala pacjentowi na dużą aktywność w sensie przemieszczania się. 31

32 Wymagania stawiane systemom telediagnostyki i telemonitoringu mają charakter ekonomiczny (niski koszt urządzeń teletransmisyjnych), oraz techniczny. Ważnym wymaganiem technicznym jest silne ograniczenie mocy układu teletransmisyjnego, aby bateria zasilająca układ nadawczy w implancie mogła działać przez wiele lat. Inne wymagania techniczne to: zasięg komunikacji na tyle duży, żeby nie doprowadzić do zerwania łączności między implantem a urządzeniem zewnętrznym, szybkość transmisji danych dane z implantu tworzą duży pakiet, który powinien być przesłany w możliwie krótkim czasie, bezpieczeństwo transmisji dane z implantu mogą być dostępne osobom trzecim, a zatem potrzebna jest ich kodowanie, kompatybilność elektromagnetyczna transmisja może zostać zakłócona przez inne źródła pola elektromagnetycznego. Dwa pierwsze wymagania mają aspekt informatyczny, podczas gdy czwarty jest związany z inżynierią elektromagnetyczną. Zarówno standardy amerykańskie jak i europejskie zdefiniowały zakres częstotliwości oraz dopuszczalne moce dla urządzeń transmisyjnych. Sformułowano standardy dla dwóch rodzajów transmisji: MICS (medical implant communication service) oraz WMTS (wireless medical telemetry service). MICS pokrywa systemy o bardzo małej mocy (Ultra-Low Power ULP). Europejska Komisja ds. Komunikacji (ECC) zdefiniowała ponadto parametry dla aktywnych implantów medycznych (AMI). Większość obowiązujących standardów dotyczy kardioimplantów. Pojawiają się nowe aplikacje, które wymagać będą innego podejścia, jak na przykład monitorowanie poziomu cukru u diabetyków. Techniki takiego monitorowania są już wprowadzane przez firmy elektroniczno-medyczne [2]. Podsumowanie Techniki bezprzewodowego diagnozowania i monitorowania stanowią wyzwanie dla środowisk naukowych i technicznych, operujących w obszarze szeroko rozumianego bioelektromagnetyzmu a także informatyki. Należy szczególną uwagę zwrócić na aspekty elektromagnetyczne (generacja sygnału i kompatybilność elektromagnetyczna). Informatyczne (szyfrowanie danych) i biologiczne (parametry elektryczne tkanek biologicznych). Należy oczekiwać, że obszar badawczy będzie tutaj bardzo rozległy. Literatura [1] Panescu D., Wireless communication systems for implantable medical devices, IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine, vol. 27, No.2, 2008 [2] 32

33 PROBLEMATYKA KOMPATYBILNOŚCI ELEKTROMAGNETYCZNEJ W KSZTAŁCENIU STUDENTÓW WYDZIAŁU ELEKTRYCZNEGO POLITECHNIKI CZĘSTOCHOWSKIEJ Aleksander Gąsiorski, Zdzisław Posyłek Politechnika Częstochowska, Wydział Elektryczny, Katedra Elektrotechniki Streszczenie Współczesne społeczeństwa rozwinięte cywilizacyjnie użytkują szerokie gamę urządzeń elektrycznych (elektronicznych i telekomunikacyjnych) różnego rodzaju. Prawie każde pracujące urządzenie elektryczne jest źródłem zaburzeń pola elektromagnetycznego o różnych poziomach i charakterze, emitowanych do środowiska elektromagnetycznego. Środowisko elektromagnetyczne jest to miejsce użytkowania urządzeń określone poziomem i charakterem zaburzeń pochodzących od ich źródeł. Zdolność urządzenia elektrycznego do niezawodnej pracy w określonym środowisku elektromagnetycznym i nie emitowanie zaburzeń pola elektromagnetycznego zakłócającego poprawną pracę innych urządzeń pracujących w tym środowisku nosi nazwę kompatybilności elektromagnetycznej. Urządzenie kompatybilne elektromagnetycznie nie powoduje zakłóceń w pracy innych urządzeń nie jest wrażliwe na zakłócenia emitowane przez inne urządzenia oraz samo nie powoduje zakłóceń we własnej pracy. Z drugiej strony, zgodnie z przyjętymi w kraju zaleceniami (Polskiego Komitetu Normalizacyjnego) termin zaburzenie elektromagnetyczne (oddziaływanie elektromagnetyczne) oznacza przyczynę, która może spowodować powstanie zakłócenia pracy urządzenia. W ramach kompatybilności elektromagnetycznej rozróżnia się wyraźnie rozdzielnie pojęcie emisji zaburzeń oraz pojęcie odporności na zaburzenia. Obowiązujące w państwach Unii Europejskiej dyrektywy dotyczące zasad kompatybilności nakładają obowiązek przestrzegania wymagań obowiązujących standardów w zakresie emisji zaburzeń i odporności na zaburzenia. Oznaczanie produktów unijnych znakiem CE nakłada obowiązek udokumentowania badań zakłóceń wytwarzanych przez urządzenia jak również badanie stopnia odporności na zaburzenia pochodzące od innych urządzeń w szerokim zakresie częstotliwości roboczych. Problematyka kompatybilności elektromagnetycznej staje są coraz bardziej aktualna i wprowadzenie jej do programów nauczania wyższych szkół technicznych nie tylko jest koniecznością ale jest również ciekawe i atrakcyjne dla studiujących. Wydział Elektryczny Politechniki Częstochowskiej prowadzi kształcenie na trzech kierunkach: Elektrotechnika, Informatyka i Elektronika i Telekomunikacja. Kształcenie w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej zgodnie z obowiązującymi Standardami kształcenia zalecane jest jedynie dla kierunku studiów Elektronika i Telekomunikacja na studiach drugiego stopnia (magisterskich) w grupie przedmiotów kierunkowych. Dzięki zrozumieniu wagi problemu kompatybilności 33

34 elektromagnetycznej w dzisiejszej elektryce, władze wydziału wprowadziły przedmioty z tego zakresu do siatek godzin, na wszystkich prowadzonych kierunkach studiów. Na (najstarszym z prowadzonych kierunków) kierunku Elektrotechnika wprowadzono przedmioty: Kompatybilność elektromagnetyczna w przesyle sygnałów (specjalność: Komputeryzacja i Robotyzacja Procesów, studia dzienne jednolite magisterskie, IX semestr, 1 godzina wykładów i 2 godzina ćwiczeń laboratoryjnych), Zakłócenia w elektroenergetyce (studia zaoczne magisterskie uzupełniające, I semestr, 9 godzin wykładów, 18 laboratorium). Na kierunku Elektronika i telekomunikacja: przedmiot Kompatybilność elektromagnetyczna (studia inżynierskie zaoczne, VI semestr, 9 godzin wykładów, 18 godzin ćwiczeń laboratoryjnych). Na kierunku Informatyka: przedmiot Kompatybilność elektromagnetyczna w przesyle sygnałów (studia inżynierskie dzienne, VI semestr, 1 godzina wykładów, 2 godziny ćwiczeń laboratoryjnych. W założeniu korelują one z prowadzonymi z przedmiotami Elektroekologia i Elektroekologia techniczna. Podstawę dydaktyczną dla studentów studiujących kompatybilność elektromagnetyczną stanowi znajomość teorii obwodów, teorii pola elektromagnetycznego, technik wysokonapięciowych i pokrewnych dziedzin. W pracy opisano niektóre dydaktyczne stanowiska laboratoryjne przygotowane dla studentów w Katedrze Elektrotechniki Wydziału Elektrycznego Politechniki Częstochowskiej, takie jak: Pomiary zakłóceń promieniowanych, Badanie dopasowanie antenowego, Ekranowanie kabli sygnałowych od wpływu zewnętrznych pól magnetycznych, Badanie filtrów przeciwzakłóceniowych, Pomiary zakłóceń przewodzonych sieciowych Badanie łączy bezprzewodowych, Własności elementów pasywnych przy wyższych częstotliwościach, Badanie odporności urządzeń na wyładowania elektrostatyczne, Wpływ impulsowych pól magnetycznych o częstotliwości sieciowej na pracę urządzeń, Badanie odporności przepięciowej sprzętu elektronicznego zasilanego z sieci niskiego napięcia. Powyższa tematyka ćwiczeń laboratoryjnych zawiera się w szeroko rozumianej tematyce kompatybilnościowej dotyczącej zjawisk i problemów występujących przy projektowaniu, użytkowaniu sprzętu elektrycznego, elektronicznego i telekomunikacyjnego. Badania realizowane w trakcie ćwiczeń mają swoje odniesienie do obowiązujących norm europejskich. Należy dodać, że koszty utworzenia dydaktycznego laboratorium kompatybilności elektromagnetycznej są wysokie ze względu na konieczność stosowania drogiej i specjalizowanej aparatury a także na potrzebę wyeliminowania w laboratorium wpływu zewnętrznych pól elektromagnetycznych i zakłóceń przenoszonych przez sieci zasilające. 34

35 WERYFIKACJE ANALITYCZNA I LABORATORYJNA POMIARÓW EMISYJNOŚCI W KOMORZE GTEM Aleksander Gąsiorski, Zdzisław Posyłek Politechnika Częstochowska, Wydział Elektryczny, Katedra Elektrotechniki Streszczenie W roku 2006 zakupiono a w 2007 zainstalowano w laboratoriach Katedry Elektrotechniki Wydziału Elektrycznego Politechniki Częstochowskiej komorę GTEM (Gigahertz Transverse Elektro-Magnetic). Komora ta (odpowiadająca w klasyfikacji szwajcarskiej firmy Schaffner liczbie 1250) została wykonana przez poprzedniego właściciela i w chwili zakupu nie posiadała udostępnionych analitycznych oraz doświadczalnych procedur kalibracyjnych, występujących często w postaci programów komputerowych. Bardzo drogie nowe komory GTEM zakupywane w konsorcjach produkcyjnych takie procedury programowe posiadają w swoim wyposażeniu. Pierwszą komorę GTEM zaprojektowano w 1984 roku w firmie ASEA Brown Bovery Ltd. (Szwajcaria). Ważną cechą charakterystyczną komory jest podawana maksymalna wysokość metalowej płyty znajdującej się wewnątrz obudowy (zwanej septum). Pomiędzy septum a dolną ścianą obudowy komory znajduje się przestrzeń robocza (w której umieszcza się obiekt pomiarowy). Wysokość septum w budowanych komorach GTEM może wynosić ponad 2 metry. Komora GTEM jest faktycznie współosiowym przewodnikiem o przekroju prostokątnym rozchodzącym się w kształcie piramidy z punktu w wierzchołku którego, umieszczono wejście pomiarowe. Rolę ekranu pełni metalowa obudowa komory, natomiast septum pełni rolę przewodu wewnętrznego. Zwykle w komorze GTEM płyta septum jest umieszczona w 1/3 odległości od górnej ściany komory co pozwala na powiększenie przestrzeni roboczej, w której umieszcza się badany obiekt. W pionowej ścianie bocznej komory umieszczone są drzwi umożliwiające ustawienie i manipulację obiektem badanym promieniującym pole elektromagnetyczne. Wysoką i stabilną wartość ekranowania gwarantują wyselekcjonowane (drogie) materiały stosowane na obudowę, drzwi, przepusty i filtry. W konstrukcji komory zawarty został kompromis związany z rozdzieleniem rodzajów obciążenia dla różnych zakresów częstotliwości. Dla niższych częstotliwości jako obciążenie zastosowano specjalną matrycę rezystorową o wypadkowej rezystancji równej 50 Ω. Dla wyższych częstotliwości rolę obciążenia pełni materiał absorpcyjny (piramidalne absorbery) pokrywający tylną ścianę komory (podstawę ostrosłupa). Są one ustawione na podstawie stanowiącej część czaszy kulistej, której geometryczny środek stanowi wierzchołek ostrosłupa (wejście pomiarowe). Absorbery pochłaniają energię promieniowaną przez badane urządzenie, eliminując tym samym zjawisko odbicia płaskiej fali elektromagnetycznej od tylnej ściany komory. 35

36 Badania urządzeń elektrycznych elektronicznych i telekomunikacyjnych w komorach GTEM sprowadza się do pomiaru mocy na wejściu komory dla kilku (czasem kilkunastu) położeń obiektu badanego w jej wnętrzu. Pole elektromagnetyczne badanych urządzeń określa się poprzez zbudowanie zastępczego modelu składającego się z: trzech ekwiwalentnych wzajemnie ortogonalnych dipoli elektrycznych, trzech ekwiwalentnych wzajemnie ortogonalnych dipoli magnetycznych, jednego kwadrupola (pomijanego dla elektrycznie małych urządzeń). Powyższe wielkości pozwalają na wyznaczenie momentów elektrycznych i magnetycznych ekwiwalentnych dipoli co prowadzi do wyznaczenia pełnych charakterystyk promieniowania elektromagnetycznego badanych obiektów. W praktyce znajomość pełnych charakterystyk promieniowania badanego obiektu nie zawsze jest konieczna, istotniejsza wydaje się być informacja o całkowitej mocy promieniowanej przez badane urządzenie. Pozwala ona na określenie maksymalnych wartości natężenia składowych pola elektromagnetycznego (elektrycznej i magnetycznej) w dowolnym punkcie przestrzeni w otoczeniu obiektu badanego. Podstawowym zadaniem związanym z uruchomieniem komory GTEM było określenie przestrzeni pomiarowej wewnątrz komory przy założeniu określonej dokładności badawczej. Fizycznie przestrzeń badawcza uzależniona jest od wielkości komory jak i założonego dopuszczalnego spadku (zmiany) wartości składowej pionowej wektora natężenia pola elektrycznego. W pracy dla posiadanej komory, dokonano określenia przestrzeni badawczej w objętości komory przy założeniu dopuszczalnego spadku wartości składowej pionowej wektora natężenia pola elektrycznego równego ±1 db, ±2 db, ±3 db. Wraz ze spadkiem wymaganej dokładności pomiaru (spadkiem wartości składowej pionowej pola elektrycznego) przestrzeń badawcza wewnątrz komory rosła, stąd wniosek, ze im większe obiekty będą badane w komorze tym mniej dokładne będą pomiary. W praktycznych badaniach pomiary przeprowadza się najczęściej ustawiając rzeczywisty obiekt badany w co najmniej trzech różnych, wzajemnie prostopadłych położeniach. Pełne weryfikacje rozważań teoretycznych komory GTEM przeprowadzane są dla badanych obiektów praktycznie z wykorzystaniem sondy prętowej pola elektrycznego (np. typu HZ530 firmy Hameg, Niemcy). Otrzymane wyniki pomiarowe powinny zostać odniesione do badań poligonowych, co realizowane jest za pomocą kłopotliwych procedur odpowiednich dla stosowanej komory. Przeliczone wielkości pola elektromagnetycznego (komora poligon) pozwalają porównać wartości z pomiarów w komorze z wielkościami pola elektromagnetycznego określanymi w normach (normy podają wielkości graniczne pola elektromagnetycznego dla warunków pomiarów poligonowych). W pracy pokazano krok po kroku sposób tworzenia procedur dla komory GTEM. Opracowanie procedur jest niezwykle ważne, gdyż daje pełne możliwość przeliczenia pomiarów parametrów pola elektromagnetycznego dokonanych w komorze na standardowe pomiary dokonane na poligonie. Umożliwia to wzajemne porównanie otrzymanych wyników w różnych komorach (różnych laboratoriach), bez względu na wielkość fizyczną, typ i rodzaj, stosowanej komory GTEM. 36

37 ENERGIA MOLEKUŁY I JEJ STANY KWANTOWE Wanda Gryglewicz-Kacerka 1, Henryk Małecki 2, Janusz F. Kacerka 3 1 Instytut Informatyki Politechniki Łódzkiej 2 Wyższa Szkoła Informatyki w Łodzi 3 Instytut Automatyki Politechniki Łódzkiej Streszczenie Energia molekuły związana jest z czterema jej ruchami i jest sumą 1) energii kinetycznej je ruchu postępowego (translacji) E tr, 2) energii powłok elektronowych E el, 3) energii oscylacji atomów wokół ich położeń równowagi E osc, 4) energii rotacji molekuły wokół osi przechodzących przez środek masy molekuły E rot. Można zatem zapisać, że energia całkowita E jest równa: E = E + E + E + E (1) tr el Z wymieniowych rodzajów energii tylko energia translacyjna może przyjmować dowolne wartości, czyli jest wartością ciągłą. Pozostałe rodzaje energii przybierają ściśle określone wartości, czyli są skwantowane. W molekule mamy zatem do czynienia z elektronowymi E el, oscylacyjnymi i rotacyjnymi Erot skwantowanymi stanami energetycznymi. Poziomy elektronowe Dla molekuły dwuatomowej energia elektronowa molekuły rozpatrywana jest jako funkcja chwilowej konfiguracji jąder, zależy od jednej współrzędnej odległości r pomiędzy jądrami. b) F a) E osc rot E osc 0,5 ev r 0 =0,34nm r r 0 =0,34nm r -4,4 ev Rys.1. Oddziaływanie między jonami K + i Cl - : a) energia potencjalna oddziaływania, b) siła oddziaływania 37

38 Składają się na nią: energia kinetyczna szybko poruszających się elektronów, energia oddziaływań elektronów ze sobą i elektronów z nieruchomymi jądrami oraz energia oddziaływań wzajemnych jąder. Elektronowe poziomy energetyczne w molekule są tego samego rzędu co w izolowanym atomie i zawierają się w granicach od około 1 do 10 ev. Poziomy oscylacyjne Przy rozpatrywaniu ruchu jąder energia E el, zależna od odległości r między jądrami i mająca określone wartości przy każdej wartości ρ, gra rolę energii potencjalnej. Przy małych odchyleniach r od położenia równowagi r 0, jądra wykonują drgania harmoniczne. Dowolne odchylenia atomu od położenia równowagi powoduje powstanie siły E p F = skierowanej do położenia równowagi [1] (rys.1 a,b), która z kolei powoduje powstanie w układzie drgań. r W przypadku niewielkich odchyleń drgania te są harmoniczne i ich energia wyraża się wzorem 1 E + osc = hν osc v (2) 2 h stała Plancka, ν osc częstość oscylacji, v liczba kwantowa oscylacji, przyjmująca wartości: 1,2,3,... Kwantowanie energii oscylacji, równej sumie energii potencjalnej i kinetycznej daje oscylacyjne poziomy energetyczne rys. 2. E v=0 Rys. 2. Oscylacyjne poziomy energetyczne molekuły dwuatomowej Należy zwrócić uwagę na to, że poziomy oscylacyjne zagęszczają się ku górze, co wynika stąd, że przy dużych amplitudach drgań nie można ich uważać za harmoniczne i częstość ν zmienia się (rośnie) przy przejściu do wyższych poziomów. Z rozważań teoretycznych osc wynika, że energia poziomów oscylacyjnych powinna być co najmniej razy mniejsze od energii poziomów elektronowych, tj. rzędu ev [2]. 38

39 Poziomy rotacyjne Jak wspomniano wyżej, w molekule np. dwuatomowej jądra mogą drgać wokół położenia równowagi, tak że odległość między nimi oscyluje wokół odległości równowagowej r 0 (rys.1a), a w dodatku cały układ może się obracać wokół swego środka masy, który leży na osi obrotu (rys. 3). a) b) m 2 CM CM m 1 r 0 µ v Rys.3. Uproszczony obraz molekuły dwuatomowej: a) uproszczony obraz molekuły składającej się z dwóch mas m 1 i m 2, b) model dynamicznie równoważny Na rys. 3a przedstawiono uproszczony obraz molekuły dwuatomowej składającej się z dwóch mas m 1 i m 2 obracających się wokół wspólnego środka masy (CM) i odległych od siebie o r 0, natomiast na rys.3b model dynamicznie równoważny poprzedniemu z masą zredukowaną µ określoną wzorem m1 m2 µ =, m1 + m2 poruszającą się po orbicie o promieniu r 0 wokół ustalonego punktu. Jeśli prędkością masy zredukowanej µ jest v, to energia kinetyczna ruchu obrotowego wynosi 2 µv E rot =, 2 a moment pędu równy jest L = r 0 µ v. A więc 2 2 µ L L E rot = =, 2 2 2µ r0 2I 2 gdzie I = µr 0 jest momentem bezwładności molekuły. Przyczyną powstawania rotacyjnych poziomów energetycznych jest skwantowanie momentu pędu molekuły L. Oznaczając przez J liczbę kwantową momentu pędu molekuły mamy [3] h L = J ( J + 1) (3) 2π 39

40 Rozpatrując molekułę jako bryłę sztywną o momencie bezwładności I, możemy rotacyjną energię kinetyczną molekuły wyrazić wzorem [3] E L h J ( J + 1) h J ( J + 1) = = = rot 2 2I 8π I 2, (4) I gdzie J=0,1,2,3... Znając odległość atomów r 0, ich masy m 1 i m 2 można obliczyć jej moment bezwładności I. Okazuje się, że dla molekuł odległości między poziomami rotacyjnymi mieszczą się w granicach ev. Z powyższych krótkich rozważań wynika, że energia pobrana z zewnątrz przez molekułę i zużyta na wzbudzenie tej molekuły, może spowodować jednoczesną zmianę różnych postaci jej energii. I tak, wzbudzeniom elektronów odpowiada emisja promieniowania leżącego przeważnie w zakresie widzialnym lub w nadfiolecie, a więc o długościach fali rzędu 0,1-1µm. Wzbudzeniom oscylacyjnym odpowiada emisja promieniowania w zakresie podczerwieni o długościach fal rzędu µm, a wzbudzeniom rotacyjnym emisja fal o długości rzędu µm (1 100 mm). W molekułach bardziej złożonych widmo ma charakter pasmowy. Położenie pasm w widmie jest charakterystyczne dla budowy molekuły. Dzięki temu na podstawie widm cząsteczkowych można wykrywać obecność związków chemicznych w mieszaninach. Spis literatury 1. W. Gryglewicz-Kacerka, H. Małecki, XV Sympozjum PTZE R. Eisberg, R. Resnick, Fizyka kwantowa, PWN, Warszawa V.E. Weisskopf, Physics Today,1985 p.36 40

41 ZASTOSOWANIE OBLICZEŃ RÓWNOLEGŁYCH DO WYZNACZANIE ROZKŁADU POLA ŚWIETLNEGO Leszek Kasprzyk Politechnika Poznańska, Instytut Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej Wprowadzenie Intensywny rozwój nowoczesnych technologii we wszystkich sferach działalności człowieka przyczynia się ekspansji nowatorskich metod obliczeniowych, a w szczególności metod służących do analizy pól elektromagnetycznych, w tym również do analizy pola świetlnego. Metody takie umożliwiają uzyskiwanie wyników z coraz większą dokładnością, która w dużej mierze zależy od jakości odwzorowania struktury analizowanego obiektu [1,2]. Ma to znaczący wpływ na wzrost czasu obliczeń oraz ilości pamięci operacyjnej, niezbędnej do ich realizacji. Z tego powodu wyznaczanie rozkładu strumienia świetlnego należy do jednych z najbardziej czasochłonnych zagadnień obliczeniowych. W związku z powyższym, podczas wykonywania obliczeń rozkładu strumienia świetlnego coraz częściej stosuje się zrównoleglenie obliczeń, wykorzystując do tego celu zarówno maszyny masywnie równoległe, jak i klastry komputerowe [1,4]. Algorytm obliczeniowy Wykorzystując zaprezentowany w pracach [2,3,4] model numeryczny, służący do analizy pola świetlnego, opracowano algorytm obliczeń równoległych. Zaproponowano oryginalny sposób zrównoleglenia trzech elementów algorytmu: numerycznego wyznaczania wartości współczynników wykorzystania strumienia świetlnego, obliczania składowej bezpośredniej strumienia świetlnego oraz rozwiązywania układu równań liniowych. W pierwszym etapie zrównoleglenia wyznaczano współczynniki wykorzystania (sprzężenia). Obliczenia poszczególnych współczynników, polegające na wyznaczaniu podwójnej całki, nie zależą od siebie, dlatego można je realizować jednocześnie przez grupę procesorów [2]. Kolejny etap obliczeń równoległych, polegał na wyznaczaniu wartości składowych bezpośrednich strumienia świetlnego na wszystkich powierzchniach elementarnych znajdujących się w analizowanym obiekcie. W tej części algorytmu rozpraszano obliczenia dla pojedynczych źródeł światła lub ich grup, wykorzystując tego celu zasadę superpozycji [2,4]. Trzeci element, który poddano zrównolegleniu, to rozwiązywanie układu równań liniowych. Proces zrównoleglenia obliczeń polega na podziale układu na bloki, w których liczba równań jest zależna od liczby węzłów oraz ich mocy obliczeniowej, z uwzględnieniem przepustowości kanału transmisyjnego. Poszczególne jednostki realizujące zadanie, wykonują obliczenia dla pojedynczego kroku iteracyjnego, a po jego wykonaniu zwracają wyniki do procesu nadrzędnego. Obliczenia wykonywane przez pojedynczy węzeł (tzn. obliczenia poje- 41

42 dynczego bloku) realizowane są niezależnie od pozostałych przy użyciu metody sukcesywnej nadrelaksacji. W metodach iteracyjnych konieczne jest określenie wartości początkowych szukanych zmiennych. Dobór tych wartości jest jednym z elementów procesu obliczeniowego mających wpływ na czas rozwiązywania układu równań. Biorąc pod uwagę fakt, że wyniki obliczeń (tzn. całkowity strumień świetlny na wszystkich powierzchniach elementarnych) są zbliżone do wartości składowych bezpośrednich strumienia świetlnego, zmiennym początkowym (w zerowym kroku iteracyjnym) przypisano wartości składowych bezpośrednich strumienia na poszczególnych powierzchniach [2,4]. Obliczenia pola świetlnego z wykorzystaniem komputerów równoległych Podczas przeprowadzania badań testowych dokonano analizy pola świetlnego na wirtualnych maszynach równoległych zbudowanych w Instytucie Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej Politechniki Poznańskiej. Wykorzystany metakomputer składał się z 24 komputerów osobistych o różnych architekturach sprzętowych. Klaster został zbudowany z wykorzystaniem popularnej biblioteki do realizacji obliczeń równoległych i rozproszonych MPI. Całkowita moc obliczeniowa komputera wynosi około 65 GFlops. Obliczenia testowe zrealizowano wyznaczając rozkład strumienia świetlnego w obiekcie przemysłowym o wymiarach 150x75 m i zróżnicowanej wysokości dla dwóch obszarów: w obszarze 1 (pomieszczenia biurowe) 3,5 m i w obszarze 2 (pomieszczenia produkcyjne) 8 m. Rozmieszczono w nim 400 wymuszeń (w tym 300 typu OPS 250 i 100 typu OKW 336). Uzyskane wyniki czasu obliczeń w funkcji liczby procesorów wchodzących w skład komputerów równoległych oraz uzyskanej efektywności przedstawiono na rysunkach 1 i 2. czas obliczeń T[s] liczba procesorów n efektywność e[%] liczba procesorów n Rys. 1. Zależność czasu obliczeń w funkcji liczby procesorów wchodzących w skład komputerów równoległych Rys. 2. Zależność efektywności obliczeń w funkcji liczby procesorów wchodzących w skład komputerów równoległych Wnioski W rezultacie przeprowadzonych badań stwierdzono, że wykorzystanie klastrów komputerowych do obliczeń pola świetlnego umożliwia znaczące skrócenie czasu jego analizy. Dla przedstawionych przykładów zastosowanie wirtualnej maszyny równoległej doprowadziło do skrócenia czasu obliczeń numerycznych z około 650 s do około 31 s na 24 procesorach. Efektywność obliczeń wykonanych na 24 procesorach wyniosła około 30%. Otrzymane wyniki 42

43 świadczą o efektywnym działaniu równoległego algorytmu obliczeniowego oraz prawidłowym funkcjonowaniu algorytmów szeregowania zadań. Wyniki przeprowadzonych badań mogą mieć zastosowanie podczas tworzenia aplikacji służących do projektowania oświetlenia dużych obiektów przemysłowych, w których analiza pola świetlnego jest bardzo czasochłonna. Aplikacje takie mogą wykorzystywać do obliczeń lokalne lub zdalne komputery równoległe, w tym również maszyny wirtualne zbudowane z grupy komputerów znajdujących się np. w biurach projektowych lub ośrodkach badawczych. Literatura [1] Grama A., Gupta A., Karypis G., Kumar V.: Introduction to Parallel Computing, Addison-Wesley, Harlow, England 2003 [2] Kasprzyk L.: Analiza rozkładu strumienia świetlnego przy użyciu komputerów równoległych, Przegląd Elektrotechniczny, 12/2007, ISSN , R. 83 NR 12/2007, s [3] Kasprzyk L., Nawrowski R., Tomczewski A., Application of a Parallel Virtual Machine for the Analysis of a Luminous Field, EuroPVMMPI 2002, LNCS, Vol. 2474, Springer-Verlang B NY H, 2002, pp [4] Kasprzyk L., Nawrowski R., Tomczewski A.: Analysis of a Light Field with the use of Parallel Computers, International Conference on the Computation of Electromagnetic Fields Compumag 2007, Aachen, 2007, pp

44

45 VIII Sympozjum PTZE, Zamość 2008 BADANIE WPŁYWU OPÓŻNIEŃ W SIECI TCP/IP/ETHERNET NA UKŁAD REGULACJI Paweł Kielan Politechnika Śląska, Wydział Elektryczny, Katedra Mechatroniki pawel.kielan@polsl.pl Streszczenie W celu zaprojektowania poprawnie działającego układu regulacji, z zastosowaniem sieci TCP/IP/Ethernet, należy określić wpływ występujących opóźnień transmisyjnych i przepustowości łącza oraz pozostałych czynników zakłócających, jak np. brak synchronizacji, czy też źle dobranej częstotliwości próbkowania na działanie systemu [3]. W niniejszym artykule przedstawione zostaną wyniki badań opóźnień w sieci TCP/IP/Ethernet dla różnej konfiguracji i wpływ opóźnień na obiekt regulacji. Rys. 1. Poglądowy schemat blokowy układu doświadczalnego do pomiaru czasów transmisji dla połączenia obiekt - regulator przez sieć Internet oraz Intranet Na rysunku 1 przedstawiono poglądowy schemat blokowy układu doświadczalnego w konfiguracji, którego zostały przeprowadzone pomiary opóźnień transportowych w sieci 45

46 TCP/IP/Ethernet. Celem eksperymentów było zbadanie wpływu różnych konfiguracji układu regulacji oraz określenia zależności odległości pomiędzy regulatorem, a obiektem na opóźnienia transmisji w sieci lokalnej oraz sieciach rozległych (Internet). W badaniach wykorzystano również najpopularniejsze oprogramowanie systemowe w celu określenia wpływu systemu na opóźnienia sieciowe. Jako oprogramowanie rozpatrywano systemy Windows XP, Linuks oraz system czasu rzeczywistego QNX. Wykonano również serie pomiarów wykorzystując jako regulator oprogramowanie napisane pod mikrokontroler AVR 32-bitowy z dodatkowym modułem internetowym oraz z zaimplementowanym stosem TCP/IP. Pomiary zostały przeprowadzone w dwóch etapach: 1. Wykonanie pomiarów opóźnień sieciowych sygnałów sterujących oraz sygnałów pomiarowych w sieci lokalnej Intranet (w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego): - pojedynczego napędu elektrycznego (różnych typów), - grupy napędów (różnych typów), - modelu robota o trzech stopniach swobody ruchu, - symulatora robota (oprogramowanie RoboSimul). 2. Wykonanie pomiarów opóźnień sieciowych sygnałów sterujących oraz sygnałów pomiarowych w sieci rozległej Internet (w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego): - pojedynczego napędu elektrycznego (różnych typów), - grupy napędów (różnych typów), - modelu robota o trzech stopniach swobody ruchu, - symulatora robota (oprogramowanie RoboSimul). Pomiary przeprowadzono dla dwóch odległości: a) Gliwice Dąbrowa Górnicza dystans około 70km, b) Gliwice-Biel (Szwajcaria) dystans około 1200km. Celem badań protokołu TCP/IP jest opracowanie systemu sterowania robotem w sieci rozległej (Internet). Autor zamierza opracować metodologię badań realizowalności układów regulacji w czasie rzeczywistym z wykorzystaniem Internetu. Badania, których wyniki przedstawione zostaną w niniejszym artykule mają służyć określenom ograniczeń, jakie wprowadzaja do układów regulacji sieci oparte o protokół TCP/IP. Literatura 1. Kielan P.: Analysis of TCP/IP protocol aspects of mechatronic equipment control through internet. XII Sympozjum Podstawowe Problemy Energoelektroniki, Elektromechaniki i Mechatroniki PPEEm 2007, Wisła, 9-12 grudnia 2007r. 2. T.Min Chen, Ren C.Luo: Remote supervisory of An Autonomous Mobile Robot via Word Wide Web., ISIE, Guimaraes, Portugal, P. Plesowicz: Zastosowanie protokołu TCP/IP do transmisji sygnałów dla potrzeb automatyki, Rozprawa doktorska, Gliwice T.Min Chen, Ren C.Luo: Multisensor Based Autonomous Mobile robot Through Internet Control., Proceedings of the IECON International Conference on Industrial Electronics, Control, and Instrumentation. New York, USA, S.Vitturi: DP-Ethernet the profibus DP protocol implemented on Ethernet. Computer Communications, Elsevier Science B.V.,

47 VIII Sympozjum PTZE, Zamość P. Plesowicz: Testing of TCP/IP Based Communication for Control Purposes, Proceedings of IFAC Programmable Devices and Systems. Gliwice P. Gaj: Zastosowanie protokołu TCP/IP do transmisji informacji dla potrzeb przemysłowych systemów kontrolno-nadzorczych, Politechnika Śląska, Wydział Automatyki, Elektroniki i Informatyki, R.M. Parkin, C.A. Czarniecki, R. Safari, Safari.W.Calkin. A PID servo control system experiment conductef remotely via Internet. Control Engineering Practice, pp , Elsevier Science

48

49 MAGNESY TRWAŁE PRZEMAGNESOWANIE, HISTEREZA, WSPÓŁCZESNE MATERIAŁY Robert A. Kosiński Centralny Instytut Ochrony Pracy Państwowy Instytut Badawczy Czerniakowska 16, Warszawa, Wydział Fizyki Politechniki Warszawskiej, Koszykowa 75, Warszawa Magnesy trwałe, w postaci rud żelaza (magnetytów), są znane ludziom od wieków. Rozwój techniki spowodował wzrost zainteresowań takimi materiałami, gdyż wiele urządzeń, np. silniki prądu stałego, wymagało zastosowania źródeł stałych pól magnetycznych. Podjęto też badania naukowe nad materiałami o doskonalszych właściwościach magnetycznych niż naturalnie występujące. Doprowadziło to do wyjaśnienia struktury materiałów magnetycznych (magnetyków) oraz natury procesów przemagnesowania, które odgrywają zasadniczą rolę w zastosowaniach magnetyków. O skali uzyskanego postępu w produkcji magnesów trwałych może świadczyć porównanie magnesu podkowiastego ze współczesnym magnesem np. neodymowym, który mając kilkadziesiąt razy mniejszą objętość wytwarza tysiące razy większe pole magnetyczne. Zajmijmy się strukturą magnetyczną typowego ferromagnetyka jakim jest np. żelazo. Moment magnetyczny związany z każdym jonem sieci krystalicznej Fe jest wypadkową momentów magnetycznych (orbitalnych i spinowych) wszystkich elektronów wchodzących w skład każdego jonu. W przypadku ferromagnetyka (np. Fe, Co, Ni) wypadkowy moment magnetyczny jest niezerowy. W kryształach tego typu występuje wewnętrzne pole magnetyczne o charakterze kwantowym, zwane polem wymiennym, które porządkuje momenty magnetyczne sieci krystalicznej w jednym kierunku. (Późniejsze badania wykazały, że istotną rolę odgrywa też porządkowanie momentów magnetycznych elektronów wędrownych). Wynikałoby z tego, że każda próbka żelaza, na skutek tego uporządkowania powinna być zawsze namagnesowana do maksymalnej wartości (nasycenia), co na poziomie makroskopowym byłoby obserwowane jako istnienie wektora namagnesowania nasycenia M S. Jednak jak wiadomo kawałek żelaza nie musi być namagnesowany. Jaki jest tego powód? Okazuje się, że podstawową tego przyczyną jest dążenie każdej próbki danego materiału do zminimalizowania pewnej funkcji termodynamicznej energii swobodnej F. W przypadku ferromagnetyka energia ta ma kilka składników: energię magnetostatyczną, energię anizotropii magnetokrystalicznej, energię magnetostrykcji, energię w polu magnetycznym zewnętrznym. Gdyby w całej próbce wszystkie momenty magnetyczne były skierowane w jedną stroną, to energia wymienna, związaną z występowaniem pola wymiennego, byłaby najmniejsza, ale inne składniki F byłyby dość duże i minimum energii swobodnej próbki nie zostałoby osiągnięte. Aby je osiągnąć próbka dzieli się na domeny. Są to obszary, na ogół o nieregularnych kształtach, namagnesowane do nasycenia, ale każdy w inna stronę. W ten sposób próbka 49

50 jako całość ma namagnesowanie M = 0. Pomiędzy domenami powstają ściany domenowe obszary przejściowe, w których następuje stopniowy obrót momentów magnetycznych od kierunku jaki jest w jednej domenie do kierunku w domenie sąsiedniej. Dla żelaza przeciętny rozmiar domen jest rzędu 10-6 m, a szerokość ściany domenowej rzędu 10-8 m. Proces namagnesowania (przemagnesowania) polega na przyłożeniu do próbki zewnętrznego pola magnetycznego H, o dostatecznie dużym natężeniu, co powoduje zmiany w strukturze domenowej: domeny o kierunkach M zgodnych i zbliżonych do kierunku pola zewnętrznego rozrastają się kosztem innych domen. W ten sposób powstaje namagnesowanie całej próbki. Po usunięciu pola zewnętrznego pozostaje M 0, gdyż najważniejsze mikroskopowe procesy przemagnesowania nie są odwracalne. Zauważmy, że zmiana wielkości domen polega na przemieszczaniu się ścian domenowych, które jest wywołane przez zewnętrzne pole magnetyczne H. Energia (potencjalna) ściany domenowej E zależy od jej położenia x w danym punkcie próbki i jest funkcją posiadającą wiele lokalnych minimów i maksimów o charakterze barier potencjału. Pole H zmienia położenie ściany domenowej i przeprowadza ścianę przez te bariery potencjalne. Usunięcie pola powoduje tylko lokalne cofnięcie ściany do pobliskiego minimum energetycznego, natomiast ze względu na duże bariery potencjału, powrót ścian domenowych na poprzednie miejsca jest niemożliwy. Dla dostatecznie dużych pól magnetycznych jest więc to proces nieodwracalny. Warto zauważyć, że dla małych pól zewnętrznych ściany przemieszczają się nieznacznie, ich przesunięcia są odwracalne i stan niewielkiego namagnesowania w małym polu zewnętrznym zanika po usunięciu pola. Oprócz opisanego wyżej najważniejszego procesu występują też i inne procesy przemagnesowania - są one związane z obrotem wektorów M w domenach. Mają one większe znaczenie silnych polach magnetycznych i zależą od struktury krystalicznej materiału; mogę mieć również charakter odwracalny i nieodwracalny. Magnesy trwałe są to elementy posiadające możliwie największe namagnesowanie M S, które jest stabilne w czasie i jest mało podatne na wpływ czynników zewnętrznych np. niezbyt wielkich pól magnetycznych. Wynika stąd, że kluczem do uzyskanie tej właściwości jest utrudnienie w danym materiale ruchu ścian domenowych. Odpowiednia struktura i skład materiału powiększa bariery energii potencjalnej i utrudnia ruch ścian, czyli przemagnesowanie próbki. Takie właściwości powinien mieć właśnie materiał na magnesy trwałe, nazywa się on magnetykiem twardym (w odróżnieniu od magnetyków miękkich, które przemagnesowują się łatwo). Czynnikami utrudniającymi ruch ścian domenowych jest np. stworzenie struktury krystalicznej materiału z krystalitami o odpowiednich rozmiarach (granice ziaren są centrami hamującymi ruch ścian), stosowanie różnego typu domieszek i stopów, odpowiednie procesy technologiczne. Obrazem omówionych wyżej procesów przemagnesowywania jest krzywa zwana pętlą histerezy, otrzymywana przy pomiarze namagnesowania w funkcji pola magnetycznego. Na pętli przyjęto definiować charakterystyczne wartości: pole remanencji H C i namagnesowanie nasycenia M S. Przy dostatecznie dokładnych pomiarach na pętli histerezy można zarejestrować tzw. skoki Barkhausena, które świadczą o wyżej omówionych przeskokach ścian domenowych między dolinami potencjalnymi. W zależności od rodzaju materiału pętle histerezy mogą mieć rozmaite kształty. Ponieważ pole powierzchni zawarte wewnątrz pętli histerezy jest proporcjonalne do energii przemagnesowania próbki, to w przypadku magnetyka twardego typowa pętla ma duże wartości H C i M S. Iloczyn M S H C jest podstawowym parametrem charakteryzującym jakość magnesu trwałego. Jak już wspomnieliśmy osiągnięty został wielki postęp w produkcji magnesów trwałych, będący wynikiem rozwoju inżynierii materiałowej. Ważnym krokiem w rozwoju technologii produkcji magnesów trwałych było w 1920 odkrycie Kotaru Hondy (Tohoku Univ., Sendai, Japonia), że bardzo dobrymi domieszkami do żelaza jest kobalt. Dalsze prace w tym kierunku doprowadziły do opracowania materiałów na bazie żelaza domieszkowanych glinem, niklem 50

51 i kobaltem (t.zw. materiały AlNiCo). W materiałach takich po wytworzeniu odpowiedniej tekstury ziaren krystalicznych uzyskano M S H C = 85 kj/m 3. Pod koniec lat 40 XX w. w laboratoriach Philipsa opracowano nowy typ materiałów ferryty. Są to kompleksowe związki Fe 2 O 3 z tlenkami innych metali (np. Zn, Mn). Materiały te należące do tzw. ceramiki czarnej, są więc to spieki starannie rozdrobnionych proszków. Ferryty mają dobre właściwości użytkowe, są tanie, łatwo im nadać pożądany kształt, słabo przewodzą prąd elektryczny. Osiągają wartości M S H C ok. 30 kj/m 3, a ich produkcja światowa sięga 90% całej produkcji materiałów na magnesy trwałe. Przykładem ferrytu jest Ba- Fe 12 O 19 (ze strukturą heksagonalną). Gdy cena magnesu nie gra zasadniczej roli, w zastosowaniach specjalnych (laboratoria, sprzęt specjalistyczny, technika kosmiczna), najlepszymi magnetykami twardymi są materiały domieszkowane neodymem lub samarem. Materiał taki z odpowiednią strukturą krystalograficzną (heksagonalną lub tetragonalną), może osiągnąć M S H C = 215 kj/m 3 (inicjujące prace badawcze nad tymi materiałami prowadziła f-ma General Electric). Najlepsze współczesne magnesy trwałe to magnesy neodymowe w których M S H C jest rzędu 400 kj/m 3. W produkcji najnowocześniejszych materiałów na magnesy trwałe coraz większą rolę odgrywa nanotechnologia. Wytworzenie odpowiedniej struktury wewnętrznej materiału, zawierającej ziarna o nanometrowych wymiarach, bardzo znacznie obniża podatność materiału na przemagnesowanie, ze względu na dużą gęstość centrów hamujących ruch ścian domenowych. Przykładem takiego współczesnego materiału jest np. Nd 13.2 Fe 79.6 B 6 Si 1.2 z ziarnami nanometrowymi. Wydaje się, że w najbliższej przyszłości postęp w pracach nad materiałami na magnesy trwałe będzie związany z rozwojem nanotechnologii. 51

52

53 COMPUTER SIMULATION OF THE INFLUENCE OF THERMAL AND MAGNETICFIELDS ON THE PLASTICITY OF NONMAGNETIC CRYSTALS Symulacja komputerowa wpływu pól termicznych i magnetycznych na plastyczność niemagnetycznych ciał krystalicznych Romuald Kotowski 1,2, Vladimir I. Alshits 1,3, Piotr Tronczyk 1 1 Polish-Japanese Institute of Information Technology, Warsaw, Poland 2 Institute of Fundamental Technological Research, Polish Academy of Sciences, Warsaw, Poland 3 Institute of Crystallography, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia Magnetoplasticity in nonmagnetic crystals is a very peculiar phenomenon discovered by the experimental group of the second author. It was found [1, 2] that dislocations in alkali halides and metals under the field B 1 T, in the absence of loads or any other external actions, moved at macroscopic distances l ~ µm. Then this phenomenon was studied in details in the same group and by many independent researchers (see e.g. review article [3]). The effect manifests itself in a remarkable change of a pinning force on dislocations from point defects under external magnetic field. This change is caused by an elimination of quantum exclusion of some electron transition in the system impurity-dislocation due to an evolution of a spin state in this system under the influence of a magnetic field. After the above transition a configuration of the pinning center becomes completely different and the pinning force also changes. As a rule this leads to a softening of crystals, however for some specific choice of doping there are also known examples of their strengthening. For instance, the hardening of NaCl(Pb) crystals in the magnetic field was revealed. Thus, the magnetoplastic effect provides an example of a quantum phenomenon displaying itself in crystal properties at room temperature. Manifestations of the magnetoplastic effect were experimentally found both in the mobility of individual dislocations and in such macro-plastic processes as active deformation, active loading, creep, internal friction, microhardness, etc. The effect was observed in alkali halide crystals (NaCl, LiF, CsI, KCl), non-magnetic metals (Zn, Al), semiconductors (InSb, ZnS, Si) and some molecular crystals. In particular, the yield stress of NaCl(Ca) and LiF(Mg) crystals decreased 2-3 times under the magnetic field B = 0.5 T. In computer simulations the random internal stresses were replaced by a constant external driving force. Dislocations were considered in a line tension approximation and their interactions with point defects were supposed to be of a contact type. The motion of a dislocation through the point defects "forest" consisted of the individual jumps of its separate segments hooked on the obstacles (pinning points) and of generations the new configurations. The segment is unlocked from the hook when the angle between the neighbor arcs becomes 53

54 less than a certain critical value. The algorithm stops when the dislocation line passes over all the obstacles, or when there are no more critical angles between any two neighboring arcs. Thermal and magnetic actions were simulated in terms of their influence on the critical angle. The motivation for computer simulations, imitating physical experiments, was associated with getting additional information which could not be extracted from real measurements. We were especially interested in distributions of dislocation segments lengths on stationary moving dislocations, in characteristics of unzipping processes and in typical numbers of active pinning points on a dislocation when it moves under the magnetic field. The paper presents a short survey of main results obtained in this area. A kinematical model of dislocation motion under the magnetic field based both on experiments and on computer simulations was introduced and discussed. The particular physical mechanisms of the phenomenon will be also discussed. Acknowledgements The paper was supported by the KBN MNiSW (Poland) as a research project number 4 T07A Literature [1] Alshits V.I., Darinskaya E.V., Perekalina T.M., and Urusovskaya A.A., Dislocation motion in NaCl crystals under static magnetic field, Fiz. Tverd. Tela, 29, (1987), ; [2] Alshits V.I., Darinskaya E.V., Gektina I.V. and Lavrent'ev F.F.: (1990), The investigation of the magnetoplastic effect in zink single crystals, Kristallografiya, 35, ; [3] Alshits V.I., Darinskaya E.V., Koldaeva M.V., and Petrzhik E.A. (2003): Magnetoplastic effects: basic properties and physical mechanisms, Kristallografiya, 48, ; [4] Alshits V.I., Kotowski R., Zjawisko magnetoplastyczności w materiałach niemagnetycznych, Przegląd Elektrotechniczny, 12 (2004), [5] Kotowski R., Symulacja komputerowa magnetoplastyczności, Przegląd Elektrotechniczny, 12 (2005), [6] Kotowski R., Vladimir I. Alshits V.I., Tronczyk P., Symulacja komputerowa magnetoplastyczności - ruch dyslokacji w polu magnetycznym, Przegląd Elektrotechniczny, 12 (2006),

55 ANALIZA PRZYDATNOŚCI WYTWARZANYCH PRZEWODÓW NADPRZEWODNIKOWYCH NA UZWOJENIE WTÓRNE NADPRZEWODNIKOWYCH OGRANICZNIKÓW PRĄDU TYPU TRANSFORMATOROWEGO Joanna Kozieł, Tadeusz Janowski, Sławomir Kozak Politechnika Lubelska Zwarcia awaryjne w sieciach elektroenergetycznych są dużym zagrożeniem dla transformatorów, generatorów, szyn zbiorczych i linii przesyłowych oraz zmniejszają pewność dostarczania energii odbiorcom. Ograniczanie prądów zwarcia za pomocą dławików i odpowiednio dużej reaktancji transformatorów znacznie wpływa na wzrost kosztów budowy i eksploatacji systemu elektroenergetycznego, a więc i cenę energii elektrycznej. O dynamicznych skutkach sił powstających w urządzeniach elektroenergetycznych decyduje największa wartość chwilowa prądu zwarciowego (prąd dynamiczny) przepływającego przez nie podczas zwarcia. Maksymalna wartość sił mechanicznych od prądu zwarcia występuje zwykle w czasie, gdy prąd osiąga pierwsze maksimum po zwarciu tj. 0,005 sekundy przy częstotliwości 50Hz. Jeżeli przerwiemy obwód zwarciowy lub powiększymy jego impedancję bardzo szybko tj. w czasie znacznie krótszym od 0,005 sekundy to siła dynamiczna nie osiągnie swojego pierwszego maksimum i nie wytworzy nadmiernych naprężeń i uszkodzeń urządzeń elektromagnetycznych w zwartym obwodzie. Rys. 1. Idea działania ogranicznika prądu Rys. 2. Rzeczywista charakterystyka napięciowoprądowa nadprzewodnikowego ogranicznika prądu 55

56 Szybkie i niezawodne działanie mogą zapewnić nadprzewodnikowe ograniczniki prądów, bowiem czas przejścia nadprzewodnika ze stanu nadprzewodzącego do rezystywnego wynosi kilkadziesiąt mikrosekund, a ich powrót do pracy po zadziałaniu jest prawie natychmiastowy i nie wymaga wykonywania jakichkolwiek czynności. Nadprzewodniki wykazują całkowity zanik rezystywności jedynie w warunkach, gdy ich parametry, tj. temperatura, gęstość prądu i gęstość strumienia magnetycznego nie przekraczają pewnych wartości nazywanych krytycznymi. Właściwości gwałtownego (skokowego) wzrostu rezystancji elementu nadprzewodnikowego przy przekroczeniu jego wartości krytycznej prądu umożliwia budowę ograniczników prądów zwarciowych w sieciach elektroenergetycznych. Istnieją dwa zasadnicze rodzaje rozwiązań nadprzewodnikowych ograniczników prądu: rezystancyjne i indukcyjne. Ograniczniki rezystancyjne są proste w swej konstrukcji, jednak wymagają doprowadzenia prądu roboczego do elementu nadprzewodnikowego za pomocą przepustów prądowych. Ograniczniki indukcyjne mają budowę podobną do przekładników prądowych, w których uzwojenie wtórne stanowi zwarte uzwojenie nadprzewodnikowe, najczęściej pierścień z ceramiki nadprzewodnikowej. Ogranicznik transformatorowy jest pewną odmianą ogranicznika indukcyjnego, w którym uzwojenia wtórne jest konwencjonalne, ale jest zwarte przez element nadprzewodnikowy. Rys. 3 Obwód elektryczny nadprzewodnikowego ogranicznika prądu typu transformatorowego Rys.4. Wartości rezystywności próbek materiałów nadprzewodnikowych w funkcji temperatury [5] Zaletą ograniczników typu transformatorowego jest możliwość użycia elementu nadprzewodnikowego dowolnego kształtu w prostym kriostacie bez przepustów prądowych. Główną wadą ograniczników transformatorowych jest wymaganie większej rezystancji w stanie nienadprzewodzącym, aby zapewnić wymagany stopień ograniczania prądu. W innych zastosowaniach nadprzewodników wartość rezystancji w stanie nienadprzewodzącym jest pożądana bardzo mała i dlatego badania nad uzyskaniem materiałów o dużej rezystywności w stanie normalnym nie były prowadzone. W ostatnich latach zagadnieniem tym zajmuje się kilka ośrodków na świecie i są publikowane pierwsze wyniki [5]. W taśmach drugiej generacji (2G) nadprzewodnik zajmuje mniej niż 1% zawartości. Pozostałe materiały stanowią podłoże i stabilizator. Gdyby je zastąpić materiałem o większej rezystywności możliwe będzie uzyskanie dostatecznego stopnia ograniczania prądu. 56

57 W pracy niniejszej przedstawiono uzyskane porównania rezystywności najnowszych materiałów na ograniczniki i próbę oceny przydatności ich w ogranicznikach typu transformatorowego. Tabela 1: Wartości rezystywności niektórych nadprzewodników w temperaturze 300K [5] Nadprzewodnik Rezystywność 300K, µωm Bi1.7Pb0.4Sr2Ca1.1Cu2. 1O x 11 Bi1.45Yb0.25Pb0.4Sr2Ca1.1Cu2. 1O x 33,2 Bi1.7 Pb0.4Sr1.75Yb0.25Ca1.1Cu2. 1O x 26 Bi1.7Pb0.4Sr2Ca0.85Yb0.25Cu2. 1O x 46,2 Literatura 1. Kozak S., Janowski T., Materiały nadprzewodnikowe dla nadprzewodnikowych ograniczniczów prądu, Prace Naukowe IPEE Politechniki Wrocławskiej,nr 44, s. Konferencje nr 18 (Postepy w Elektrotechnologii), Wrocław Jamrozowa Polana, września 2006, str GAUZZI A. et al., Continuous Deposition of Thermally Co-Evaporated YBCO/CeO2/Ni Coated Conductors, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol 15, no 2, pp , June JANOWSKI T. i inni, Nadprzewodnikowe ograniczniki prądu, Wydawnictwo LIBER, Martin W. Rupich, Darren T. Verebelyi, Wei Zhang, Thomas Kodenkandath and Xiaoping Li, Metalorganic Deposition of YBCO Films for Second- Generation High Temperature Superconductor Wires,MRS BULLETIN, AUGUST 2004, p A.BIJU, P.M.SARUM, R.P. ALOYSIUS, U. SYAMAPRASED: Improved flux pinning properties of Yb substituted (Bi, Pb)2212 Superconductor, Journal of American Ceramic Society, Volume 90, Issue 10, Page , October Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach jako projekt badawczy. 57

58

59 STYMULACJA ELEKTROMAGNETYCZNA NERWU BŁĘDNEGO W TERAPII ANTYOTYŁOŚCIOWEJ Andrzej Krawczyk, Jolanta Plewako, Barbara Grochowicz Centralny Instytut Ochrony Pracy Państwowy Instytut Badawczy Politechnika Rzeszowska, Politechnika Opolska Wstęp Stymulacja nerwu błędnego (Vagal Nerve Stimulation VNS) jest techniką, mogącą wpływać na wiele organów człowieka. Wynika to z niezmiernie ważnej roli, jaką pełni nerw błędny w funkcjonalnym sterowaniu organizmem człowieka. Stanowi on główne połączenie poszczególnych organów ciała z obszarem mózgu. Terapie z użyciem VNS Można wskazać trzy grupy chorób, które mogą być leczone poprzez stymulację elektryczną nerwu błędnego: kardiologiczne, choroby układu nerwowego, fizjologiczne. Pierwsze dwie grupy chorób, już od kilku lat, są leczone technikami VNS, podczas gdy trzecia grupa jest w fazie badań. Jedną z tych chorób jest otyłość chorobliwa (morbid obesity). Chorobliwa otyłość jest nagminną przypadłością dotyczącą ludzi w zachodniej cywilizacji. Ocenia się, że liczba osób w Stanach Zjednoczonych, dotkniętych otyłością, bądź nadwagą wynosi %. Szacunkowe dane są takie, że około 6% amerykańskiego społeczeństwa dotknięte jest otyłością chorobliwą. Istnieją procedury chirurgiczne, pozwalające na walkę z tą przypadłością. Stymulacja elektryczna może stanowić alternatywne rozwiązanie i znakomicie zmniejszyć skalę tej dolegliwości poprzez zmniejszenie poczucia głodu. Podstawowym rodzajem stymulacji jest stymulacja nerwu błędnego, zastępowana czasem stymulacją bezpośrednią jamy brzusznej. Ograniczenie ilości spożywanego jedzenia jest procedurą złożoną i pełne zrozumienie czym jest uczucie nasycenia jest wysoce nieuchwytne. Poczucie nasycenia wynika z oddziaływania parametrów poznawczych ośrodka mózgowego oraz sygnału z przewodu pokarmowego, włączając sygnały z przechowalników tłuszczu. A zatem rozdęcie żołądka i przewodu pokarmowego współdziała z aktywnością elektryczną nerwu błędnego. Można zatem w sposób sztuczny powodować uczucie nasycenie, ponieważ rozdęcie żołądka jest najważniejszym parametrem nasycenia. 59

60 W literaturze przytacza się wyniki testów prowadzonych na dziesięciu psach, które podzielone zostały na dwie kategorie badawcze: badania intensywne, w których stymulację prowadzono 20 minut przed jedzeniem i podczas jedzenia oraz badania łagodne, gdzie stymulacja była prowadzona w sposób ciągły. W obu przypadkach zastosowano bipolarną stymulację. Czas posiłku ustalony został na 20 minut i jego zmiany oraz jego wielkość były rejestrowane. Zwierzęta miały nieograniczony dostęp do wody. Elektryczne parametry stymulacji były następujące: częstotliwość sygnału wynosiła 30 Hz, szerokość impulsu 500 ms, stymulacja odbywała się w trybie okresowym 30 sekund stymulacji, 2 minuty przerwy, początkowy prąd stymulacji wynosił 2 ma i był zwiększany ze skokiem 0,25 ma do osiągnięcia maksymalnego efektu. Zaobserwowano w obu grupach badawczych, że czas jedzenia podczas stymulacji wydłużał się z kilku minut do założonych dwudziestu, przy stymulacji wyłączonej wracał do kilku minut. Waga ciała zwierząt stymulowanych w sposób ciągły malała, podczas gdy u zwierząt stymulowanych intensywnie zmiana wagi była w obszarze błędu statystycznego. W miarę zachęcające wyniki badań skłoniły badaczy z Lenox Hill Hospital w Nowym Jorku i Teksańskiego Uniwersytetu w Houston do przeprowadzenia badań z udziałem ochotników. Przebadano 5 kobiet i jednego mężczyznę, spełniających warunki chorobliwej otyłości. Zastosowano stymulację nerwu błędnego o podobnej charakterystyce elektrycznej jak w przypadku psów. Badania przeprowadzono ze ślepą próbą. Rezultaty stymulacji były niejednoznaczne. Jedna kobieta, ważąca około 200 kg straciła około 40 kg, wykazując tendencję zniżkową. Dwoje innych uczestników straciło około 10% wagi ciała i proces spadania wagi zatrzymał się. U dwojga pozostałych nie stwierdzono żadnej zmiany [1]. Propagatorzy stymulacji nerwu błędnego twierdzą, że we wszystkich badaniach osiągnęli 14-procentowy ubytek wagi w obiektach badanych, co, według ich wiedzy, jest dwukrotnie wyższą wartością od tej, którą dają środki farmaceutyczne aprobowane przez amerykańską Agencję ds. Żywności i Leków (FDA). Pomimo niejednoznaczności wyników badań stwierdza się potrzebę ich kontynuacji, a w amerykańskim urzędzie patentowym terapia VNS została już zastrzeżona jako US Patent. W Collegium Medicum Uniwersytetu Jagiellońskiego (Katedra Patofizjologii) zespół prowadzony przez profesora Piotra J. Thora przeprowadził podobne badania [2]. Prowadzono je na świniach i szczurach, wspomagając VNS ogólną stymulacją polem magnetycznym. Wyniki jakie osiągnięto w różnego rodzaju badaniach prowadzonych przez ten zespół potwierdzają niejednoznaczności rezultatów osiągniętych w badaniach amerykańskich. Pozytywne aspekty rezultatów badań dają zespołowi asumpt do ich rozwijania. Wniosek Przytoczone wyżej wyniki badań wskazują jednak na potrzebę prowadzenia takich badań, zarówno w wymiarze światowym jak i w Polsce. Ze względu na ich interdyscyplinarność badania na temat stymulacji nerwu błędnego w przeciwdziałaniu chorobliwej otyłości powinny być prowadzone przez jakiś ośrodek medyczno-biologiczny, wspomagany przez badaczyinżynierów, fizyków. 60

61 Literatura 1. Roslin M., Kurian A., The Use of Electrical Stimulation to Treat Morbid Obesity, w: Bioelectromagnetic Medicine (ed. P.J. Rosch, M. Markov), Taylor & Francis, Boca Raton Zaraska W. Thor P., Lipinski M., Cież M., Grzesiak W., Początek J., Zaraska K., Design and fabrication of neurostimulator implants selected problems, Microelectronics Reliability 45,

62

63 MOŻLIWOŚCI ZASTOSOWANIA APROKSYMACJI ZALEŻNOŚCI W POLU BLISKIM ANTEN MIKROFALOWYCH W OCENIE NARAŻENIA LUDZI I ŚRODOWISKA Roman Kubacki 1), Jarosław Kieliszek 2), Marian Wnuk 1) 1) Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa 2) Wojskowy Instytut Higieny i Epidemiologii, Warszawa Wstęp Powszechnie stosowane anteny mikrofalowe jako anteny nadawcze stacji bazowych telefonii komórkowej, lokalizowane na masztach antenowych lub na dachach budynków mieszkalnych powinny być tak usytuowane aby obszary, w obrębie których występują wartości natężenia pola elektrycznego wyższe od wartości dopuszczalnych nie występowały w miejscach, w których mogą przebywać ludzie. Często są to obszary w bezpośredniej bliskości samych anten. Lokalizacja anten stacji bazowych telefonii komórkowej powinna być zatem poprzedzona obliczeniami symulacyjnymi rozkładu pola elektromagnetycznego, ze szczególnym uwzględnieniem obszarów w pobliżu anten. Powszechnie stosowane w obliczeniach wyrażenie na pole elektryczne przedstawione zależnością (1) może być stosowane na dostatecznie dużych odległościach od anteny, tj. na odległościach większych aniżeli r D = 2D 2 /λ, gdzie D jest największym poprzecznym rozmiarem anteny. 1 E = 60 P GF( θ,ϕ ) (1) gdzie: P moc doprowadzona do anteny, G zysk energetyczny anteny, F(θ,ϕ) charakterystyka promieniowania anteny. r o Stosowanie zależności (1) do wyznaczania pola elektrycznego w pobliżu anten mikrofalowych obarczone jest zbyt dużym błędem. Z kolei analityczne metody dokładnego wyznaczania rozkładu pola elektrycznego bazujące na rozwiązywaniu równań Maxwella są dostępne jedynie dla określonej grupy prostych geometrycznie anten. W pracy przedstawiono omówienie możliwości zastosowania przybliżenia Fresnela do wyznaczania pola elektrycznego w pobliżu anten mikrofalowych. Przedstawione uwarunkowania mogą być zastosowane do anten stacji bazowych telefonii komórkowej, jak również anten urządzeń radiolokacyjnych. 63

64 64 XVIII Sympozjum PTZE, Zamość 2008 Przedstawiono również nowe podejście do wyznaczenia kryterium Fresnela, tj. minimalnej odległości, powyżej której może być stosowane przybliżenie Fresnela dla danej anteny. Przybliżenie Fresnela Zależności na pole elektryczne anteny wyrażone przy pomocy przybliżenia Fresnela wygodnie jest wyprowadzić przy pomocy potencjałów wektorowych. Obliczenia rozkładu pola elektrycznego w ramach ochrony ludzi i środowiska przeprowadzone zostaną w płaszczyźnie przekroju pionowego, przedstawionej na rys. 1 z Antena θ y r 0 E θ x P E r Rys. 1. Geometria anteny oraz płaszczyzna przekroju pionowego (ϕ=90 0 ). We współrzędnych sferycznych w płaszczyźnie przekroju pionowego natężenie pola elektrycznego określone jest przy pomocy składowych E θ oraz E r. Wyrażenia na składowe pola elektrycznego dane są zależnościami: jk r jk η cosθ ( ξ + η sin θ ) o jk e = ( ) 2ro EF K J ( ξ ) J ( η) r η θ e o cos dξ dη (2) θ 4π 2 ro Sa x x ( ξ + η sin θ ) 1 jk r jk η cosθ o jk e = 2ro EF r K sin θ J x ( ξ ) J x ( η) η e dξ dη (3) 4π 2 ro Sa Wypadkowa wartość natężenia pola elektrycznego wyrażonego przybliżeniem Fresnela jest następująca: gdzie: 2 EF EF + EF r 2 = θ (4) J x (ξ), J x (η) gęstości powierzchniowe prądu na aperturze anteny, wyznaczone przy pomocy syntezy charakterystyki promieniowania anteny. Wartości natężenia pola elektrycznego wyrażone przy pomocy zależności (2) (4) porównano z wartościami otrzymanymi metodą potencjałów wektorowych. W wyniku porównania otrzymanych wartości określono granice stosowalności kryterium Fresnela. Analizę porównawczą przeprowadzono zarówno dla kierunku osi promieniowania (θ=90 0 ) jak również dla kierunków listków bocznych, tj. dla promieni skierowanych w stronę ziemi. 64

65 WPŁYW ŚRODOWISKA TERAPEUTYCZNEGO NA SKUTECZNOŚĆ TERAPII POLEM ELEKTROMAGNETYCZNYM Mira Lisiecka-Biełanowicz 1, Andrzej Krawczyk 2, Adam Lusawa 1 1 Zakład Profilaktyki Zagrożeń Środowiskowych i Alergologii, Warszawski Uniwersytet Medyczny 2 Centralny Instytut Ochrony Pracy Państwowy Instytut Badawczy Wstęp Celem opracowania jest próba weryfikacji skuteczności terapii z wykorzystaniem pola elektromagnetycznego oraz ocena wpływu środowiska terapeutycznego (terapeuty i aparatury terapeutycznej) na skuteczność terapii. Innymi słowy, przeprowadzona analiza ocenia, czy magnetoterapia i magnetostymulacja mają naturę placebo, czy też stanowią skuteczną metodę terapeutyczną. Praca oparta jest na badaniach ankietowych prowadzonych w latach w gabinetach fizykoterapeutycznych w Centralnym Instytucie Ochrony Pracy Państwowym Instytucie Badawczym oraz w jednostkach podległych Centrum Kształcenia i Rehabilitacji Inwalidów w Warszawie. Charakterystyka badań Badania prowadzono na następującej grupie osób, uczestniczących w normalnym procesie terapeutycznym: liczba osób 102 płeć kobiety 72,5%, mężczyźni 27,5% średni wiek 53,19 wykształcenie wyższe 60,8%, średnie 34,3%, podstawowe 4,9%. Konstrukcję ankiety omówiono w poprzednich pracach [1]. Ankietowani byli proszeni o wypełnienie ankiety przed i po terapii polem elektromagnetycznym. W większości przypadków terapia polem elektromagnetycznym włączona była w szerszy program zabiegów fizykoterapeutycznych zgodnie z modelem fizjoterapii przyjętym wg modelu rehabilitacji w Polsce wg W. Degi [2]. Wyniki badań i analiza wyników Ze względu na to, że oceniana będzie terapia w kontekście efektu placebo, przytoczmy za literaturą [3] definicję tego pojęcia: 65

66 Placebo jest metodą użytą świadomie dla uzyskania niespecyficznego, psychologicznego lub psychofizjologicznego efektu terapeutycznego, albo użytą przy założeniu, że posiada specyficzne działanie terapeutyczne w określonym schorzeniu czy objawie chorobowym, ale w rzeczywistości takiego działania nie posiada. Ponieważ terapia polem elektromagnetycznym nie jest podbudowana jasnym i przekonywującym modelem teoretycznym, dlatego poszukiwanie odpowiedzi na pytanie o efekt placebo wydaje się być postępowaniem prawidłowym. Przebadano dwie relacje występujące w procesie terapeutycznym: 1. skuteczność terapii* a ocena pracy terapeuty (współczynnik korelacji k=0,18) 2. skuteczność terapii* a ocena jej skuteczności przez pacjenta (współczynnik korelacji k=0,23) * zmienna pod nazwą skuteczność terapii była wyliczona jako: stan zdrowia po terapii stan zdrowia przed terapią. Odpowiedzi pacjentów są jak następuje: Rysunek 1. Prezentacja statystyczna skuteczności terapii w interakcji z oceną pracy terapeuty Źródło: opracowanie własne Rysunek 2. Prezentacja statystyczna skuteczności terapii w interakcji z oceną a posteriori skutecznością terapii Źródło: opracowanie własne 66

67 Wnioski Cząstkowe wyniki (niskie korelacje) pozwalają sformułować ostrożną hipotezę, że efekt placebo nie odgrywa tak istotnej roli w terapii polem elektromagnetycznym, jak to można było wnioskować z poprzednich analiz. Prace powinny być kontynuowane przy wprowadzeniu większej liczby badanych oraz przy użyciu wnikliwszych narzędzi badawczych. Literatura 1) Lisiecka-Biełanowicz M., Krawczyk A., Próba weryfikacji skuteczności terapii w polu elektromagnetycznym, Przegląd Elektrotechniczny, Nr 12, ) Dega W. (red), Ortopedia i Rehabilitacja, Tom I, PZWL, Warszawa, 1983 r., str. 14 3) Shapiro A.K., Shapiro E., The Powerful Placebo : From Ancient Priest to Modern Physician. The Johns Hopkins University Press,

68

69 ZASTOSOWANIE MODELU DWUSTRONNEJ ZAMKNIĘTEJ PERFUZJI ZRAZIKA ŁOŻYSKA LUDZKIEGO W WARUNKACH IN VITRO W BADANIACH NAD ODDZIAŁYWANIEM PEM NA LUDZKIE TKANKI Maciej Łopucki 1, Stanisław Pietruszewski 2, Wanda Rogowska 1 1 I Katedra i Klinika Ginekologii Onkologicznej i Ginekologii Akademii Medycznej w Lublinie 2 Katedra Fizyki Wydziału Inżynierii Rolniczej Akademii Rolniczej w Lublinie Badania nad oddziaływaniem zmiennych EMF na ludzi prowadzone są od lat 60-tych w licznych ośrodkach naukowych. Wyniki prac na ten temat zamieszczone są w komputerowych bazach danych min.: BENER-Aachen University of Technology ( EMF Database-BENER ( com/emf/ database/), Electic Words ( WHO ( WHO ( The Associated Bio Electromagnetics ( Electric Words ( electric-words.com/), CORDIS:RTD beyond 2002 ( html), Electrosensivity ( EMR Network (Błąd! Nieprawidłowy odsyłacz typu hiperłącze.), COST281Page( PubMed (Błąd! Nieprawidłowy odsyłacz typu hiperłącze.) i innych (m.in. Medline, MTHR Mobile lub SICENCE@DIRECT Research Center for Bioelectromagnetism Interaction). Jednak w żadnej z nich nie ma danych (z wyjątkiem badań własnych) na temat oddziaływania zmiennych jednorodnych pól magnetycznych o niskiej indukcji magnetycznej o częstotliwości 50 HZ (ZJPMoNIM) na łożysko ludzkie. Łożysko ludzkie jest typu krwiokosmkowego, o dwóch oddzielnych systemach unaczynienia. Granicę między krążeniem matczynym i płodowym stanowi błona zespólniowowłośniczkowa. Łączna długość sieci naczyniowej łożyska ludzkiego wynosi około 50 km, a jej powierzchnia około 14 m 2, czyli jest dziesięciokrotnie większa od powierzchni ciała dorosłego człowieka. Przepływ krwi przez naczynia kosmków wynosi około ml/min. Łożysko jest układem licznych zróżnicowanych elementów morfologicznych. Wyróżnia się w nim następujące struktury: powierzchnię płodową, płytę kosmkową, powierzchnię matczyną, płytę podstawową, zrazy, zraziki i przegrody oraz kosmki końcowe. Od ponad 20 lat wyniki badań własnych dotyczących oddziaływania EMF o częstotliwości 50Hz (ZJPMoNIM) na przemiany biofizyczne, biochemiczne i morfologiczne w łożysku ludzkim w warunkach in vitro autorzy przedstawiali na licznych konferencjach krajowych i zagranicznych oraz w publikacjach (z IF), min. w Bioelectromagnetics (2004), Polish Journal of Environmental Studies (2004), Virchows Archiv (2005) i kolejnych przyjętych do wydania w 2006, 2007 i 2008 r. 69

70 Wyniki badań własnych dają podstawy do przypuszczenia, że zmienne jednorodne sinusoidalne pole magnetyczne o częstotliwości 50Hz może być egzogennym czynnikiem ksenobiotycznym wpływającym na zaburzenie jedności matczyno-płodowej zarówno w warunkach in vitro jak i również w warunkach in situ co może mieć wpływ na występowanie wielu patologii w rozwoju płodu i noworodka. Wnioski: 1. Badania własne dają podstawy do przypuszczenia, że ZJSPMoNIM o częstotliwości 50Hz może być jednym z czynników ksenobiotycznych mających wpływ na kobiety ciężarne i zwiększenie się występowania licznych patologii w ciąży. 2. Opublikowane wyniki badań własnych dają podstawy do dalszych innych eksperymentów na tzw. materiale ludzkim np. plemników ludzkich w warunkach in vitro. 70

71 HAKERZY KONTRA KARDIOSTYMULATORY Paweł A. Mazurek Instytut Podstaw Elektrotechniki i Elektrotechnologii Politechnika Lubelska Dotychczasowe rozważania bezpiecznej pracy urządzeń elektrycznych, a w szczególności medycznych opierają się na badaniach przeprowadzanych pod kątem oddziaływania elektromagnetycznego na organizm ludzki i kompatybilnej pracy z urządzeniami elektrycznymi środowiska elektromagnetycznego. Niestety gwałtownie wzrastająca różnorodność i mnogość urządzeń medycznych i systemów wszczepianych do ludzkiego organizmu stawia trudne wyzwania projektantom tego typu urządzeń ze względu na zasilanie, przetwarzanie sygnałów i komunikowanie się z urządzeniami monitorującymi znajdującymi sie poza organizmem człowieka, a także ich odpornością na zaburzenia elektromagnetyczne. Na rysunku pierwszym przedstawiono człowieka z wszczepionymi urządzeniami, które mogą monitorować lub regulować naturalne czynności organizmu. Rys.1. Implanty w ciele człowieka Klasyczna komunikacja miedzy implantem (np. kardiorstymulatorem) a urządzeniem kontrolującym odbywa sie za pomocą systemów krótkiego zasięgu (175 khz) opartych na sprzężeniu magnetycznym pomiędzy cewkami (przepustowość 50 Kbits /s). Ten system niestety posiada niewielki zasięg (8-10 cm) i jest podatny na błędy transferu danych. Ta sytuacja zmienia sie wraz z rozporządzeniem ITU-T, które zaleca podzielić pasmo MHz dla systemu komunikacyjnego obsługującego implanty MICS (ang. Medical Implant Communications Se- 71

72 rvice). Przepustowość tego systemu wynosi 250 Kb/s, a zasięg wzrasta do kilku metrów. Zalecenie zostało wprowadzone w USA przez FCC (ang. Federal Communications Commission) i w Europie przez ETSI (ang. European Telecommunications Standards Institute) [1,3,5]. Ważna zatem jest kompatybilność systemu komunikacji urządzeń miedzy sobą i z innymi systemami, tak aby nie były one zakłócane np. przez zewnętrzne pola elektromagnetyczne. Problem jest istotny, co ma wymiar w prowadzonych badaniach naukowych m.in. wpływu pól EM pochodzącego od telefonów komórkowych na wybrane typy kardiostymulatorów (szczegółowo przedstawiony w pozycji [2]). Rys. 2. Najnowsza technologia przesyłu danych kardiologicznych, stymulator komputer lekarza Jak się jednak okazuje, nie tylko oddziaływanie istniejących źródeł pola EM jest rozpatrywane w analizie pracy implantów. Istniejący system komunikacji może być w dzisiejszych czasach podatny na internetowe włamania. Grupa badaczy z Uniwersytetu w Waszyngtonie i Massachusetts [5,6] wykazała, że jest w stanie uzyskać bezprzewodowy dostęp do implantów i urządzeń elektronicznych typu rozrusznik serca, które od kilkudziesięciu lat są z powodzeniem wszczepiane pacjentom. Efektem udanego ataku hakera jest uzyskanie dostępu do zaatakowanego rozrusznika. Przekłada się to na możliwość dowolnego przeprogramowania (np. zwiększenia mocy impulsu) lub, co wydaje się horrorem, po prostu wyłączenia. Ale to nie jedyny z możliwych ataków. Okazuje się bowiem, że można także wykradać prywatne dane pacjenta, gdyż niektóre z rozruszników oprócz swojej podstawowej funkcji wspomagania serca, zbierają także informacje o stanie zdrowia pacjenta aby ułatwić lekarzom analizę historii choroby. Atak na rozruszniki serca jest możliwy, ponieważ większość tego typu urządzeń z racji swojej natury, posiada interfejs radiowy. To pozwala lekarzom na odczyt danych z pamięci rozrusznika bez konieczności przeprowadzania operacji chirurgicznej. Obecnie coraz więcej implantów jest wyposażanych w funkcję łączenia się z internetem, co w zamyśle ma pozwolić lekarzom na zdalny monitoring pacjentów. Niedawne publikacje serwisu Zone-H [4] ukazujących statystyki ataków na serwery internetowe z uwzględnieniem platform na których działały zwielokrotniają obawy dotyczące bezpieczeństwa. W początkach działalności tego serwisu (kilka lat temu) notowano 2500 ataków miesięcznie, w roku ubiegłym liczba ta wzrosła do Na szczęście liczba włamań nie rośnie równomiernie, a do tego jest uzależniona od platform serwerowych co w przypadku specjalistycznych urządzeń medycznych podnosi ich bezpieczeństwo. 72