科學家設計出首個「磁場二極體」,有望提升基於磁場的無線供電效率

作者 | 發布日期 2018 年 11 月 22 日 23:16 | 分類 尖端科技 , 材料 follow us in feedly

由於具有廣泛應用前景,許多研究人員都在針對不同領域的超材料(Metamaterial)進行研究,而英國薩塞克斯大學(University of Sussex)科學家 Jordi Prat-Camps 也是其中之一。在最新一項研究中,Prat-Camps 和同事成功創造出一種能夠在兩物體間單向傳輸磁場的材料,預期未來將能協助提高基於磁性的無線供電效率。



由於電磁學定理和迄今為止的實驗都指出兩個磁性物體間的磁場轉移是對稱的,過去並沒有人深入思考過電感耦合(magnetic coupling)的這種對稱性是否會被打破、又能夠到達何種程度。

但在和奧地利科學院(OAW)、因斯布魯克大學合作下,Prat-Camps 在研究中首次證明兩個磁性元件間的電感耦合可以非常不對稱。

這項突破基於團隊多年來進行的研究:如何透過超材料來控制和操縱磁場,在最近的研究中,他們希望了解是否有機會用來打破所謂的「磁場互易性」(magnetic reciprocity),而在幾次嘗試失敗之後,團隊決定嘗試使用電導體來進行。

通過馬克士威(Maxwell’s equation)方程式,研究人員很快地就證明互能性不僅理論上可以分解,還可以使耦合達到最大程度的不對稱,也就是說讓 A 到 B 的耦合不等於零,但是從 B 到 A 是完全為零。

為了驗證這項原理,團隊也設計了第一個可說是「磁場二極體」的設備,儘管因為體積過於龐大還不適合日常使用,但 Prat-Camps 認為,這將為科學家和技術人員開闢許多新的可能性。「在這項發現之下,無線供電技術的效能有望改善,還可能以提高手機、筆電甚至汽車的充電效率。」

包含馬達、變壓器、低頻天線和無線傳輸設備在內,人們現今所依賴的許多應用都與電感耦合原理相關,合著作者、薩塞克斯物理學家 Oriol Romero-Isart 和 Gerhard Kirchmair 指出,如果線圈之間的耦合是對稱的,那麼傳輸的同時一部分也會以相反的方向流動,這會大大降低傳輸的效率。

「透過使用磁場二極體來防止向後流動的情況發生,傳輸的效率可以大大提高」。

Prat-Camps 表示,電子二極體非常重要,沒有它們,現有的電子技術像是微晶片、電腦或行動電話都不可能實現。「如果我們的研究結果可以有著電子二極體百萬分之一的影響力,這就會是一個巨大的成功。」

團隊目前正在探索其他設備的設計內容,相關研究已經刊登在《物理評論快訊》(Physical Review Letters)期刊上。

(首圖來源:arXiv via J. Prat-Camps