Metamaterial zur Verstärkung von Magnetfeldern

Yaroslav Urzhumov, Professor an der Duke University (Durham, North Carolina, USA), schlug eine Methode zur Verstärkung der magnetischen Komponente elektromagnetischer Wellen vor, ohne deren elektrische Komponente zu erhöhen. Tatsache ist, dass biologische Gewebe für Magnetfelder transparent sind und es nützlich wäre zu lernen, wie man die magnetische Komponente elektromagnetischer Wellen genau verstärkt.

Dies würde den Weg für die Schaffung sicherer schwebender Züge, den Bau neuer drahtloser Energieübertragungssysteme und die Lösung einer Reihe anderer Probleme ebnen, bei denen starke magnetische Wechselfelder erforderlich sind, und gleichzeitig für den Menschen sicher sein sollten. Neue Systeme sind wirtschaftlicher und sicherer als bestehende Analoga.

Um das gewünschte Ergebnis zu erzielen, schlug Jaroslaw Urzhumow die Verwendung von magnetisch aktivem Metamaterial vor, aufgrund dessen es möglich ist, mit einem relativ geringen Strom ausreichend starke Magnetfelder zu erhalten. Eine solche Lösung würde elektrische Felder, die in diesem Fall parasitär sind, reduzieren und sichere und leistungsstarke elektromagnetische Systeme erzeugen.

Numerische Modelle von Jaroslaw und seinen Kollegen zeigten, dass makroskopische Objekte, die auf der Basis von Metamaterialien mit negativer magnetischer Permeabilität erstellt wurden, unter einer Reihe von Bedingungen Magnetkräfte in niederfrequenten Feldern verstärken können. Die Forscher nannten dieses Phänomen eine magnetostatische Oberflächenresonanz, die im Prinzip der in der Optik auftretenden Plasmonoberflächenresonanz ähnelt, die sich in Materialien mit negativer Dielektrizitätskonstante manifestiert.

Das von Wissenschaftlern modellierte Metamaterial, das durch eine sehr hohe, spezielle Anisotropie gekennzeichnet ist, weist in einer Richtung eine negative magnetische Permeabilität auf, und in allen anderen Richtungen ist die magnetische Permeabilität positiv. Nach den Berechnungen können die hergestellten Objekte das Magnetfeld genau aufgrund der Resonanz stark erhöhen.

Die Anwendung dieses Phänomens in Magnetschwebesystemen erhöht die Masse der angehobenen Objekte um ein Vielfaches, und die Stromkosten steigen im Vergleich zu herkömmlichen Gegenstücken nicht an. Der Autor der Entwicklung, ein ehemaliger Student des Moskauer Instituts für Physik und Technologie, Jaroslaw Urzhumow, ist sich des Erfolgs sicher.

Neue Systeme zur ungewöhnlichen Steuerung magnetischer Kräfte in elektromagnetischen Feldern können in anderen Bereichen eingesetzt werden, z. B. in winzigen optischen Pinzetten zum Halten von Atomen oder in den neuesten elektromagnetischen Waffen. Dies kann auch beinhalten WiTricity-Technologie-Systemedient zur drahtlosen Energieübertragung durch ein stark pulsierendes Magnetfeld, das für Mensch und Tier völlig harmlos ist.

In Übereinstimmung mit den Modellen von Jaroslaw erstellt eine Gruppe von Experimentatoren am Boston College (Boston, Massachusetts, USA) einen Prototyp eines solchen Metamaterials, man könnte sagen einen Magnetverstärker.

In Bezug auf die drahtlose Übertragung durch Magnetfelder hat kürzlich eine Gruppe von Jaroslaw Urzhumow gemeinsam mit dem Toyota-Institut eine sehr praktische Übertragung von Elektrizität über eine Entfernung durch niederfrequente Magnetfelder demonstriert.

Um die Übertragungseffizienz zu erhöhen, bauten die Wissenschaftler eine quadratische Superlinse, die zwischen Sender und Empfänger platziert wurde. Die quadratische Linse bestand aus vielen Würfeln, die mit Spiralleitern bedeckt waren. Die resultierenden Strukturen mit der Eigenschaft von Metamaterial, das mit Magnetfeldern interagiert, übertragen Energie in einem engen Kegel mit maximaler Intensität.

Eine Spule - ein Sender - wurde auf einer Seite der Superlinse platziert, entlang der ein Wechselstrom geleitet wurde, wodurch ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wurde. Dieses Magnetfeld verringerte erwartungsgemäß seine Intensität proportional zum Quadrat der Entfernung vom Sender. Dank der Superlinse erhielt der auf der anderen Seite befindliche Sender jedoch auch in einer Entfernung von 30 cm eine ausreichende Energiemenge. Ohne die Verwendung einer Zwischenlinse überschritt die Übertragungsentfernung 7 nicht 6 cm

Der Wissenschaftler sagte, dass eine solche drahtlose Übertragung unter Verwendung von Metamaterialien bereits im Labor von Mitsubishi Electric durchgeführt wurde, jedoch nur in einer Entfernung, die die Größe des Senders nicht überschreitet. Durch die Verwendung präziser Magnetfelder wird nun eine hohe Sicherheit und Effizienz erreicht. Magnetfelder werden von den meisten Materialien nicht stark absorbiert, außerdem sind Magnetfelder durch Induktion bis zu 3 T sicher und werden bereits in der Tomographie verwendet.

In Zukunft wird auf dieser Basis die Schaffung von drahtlose Mini-Geräte für elektronische Geräte. Superlinsen fokussieren Magnetfelder, um ein bestimmtes Gerät aufzuladen, und die Linsenparameter können sich ändern. Der Fokus bewegt sich im Raum, z. B. nach dem Smartphone, das der Besitzer im Raum trägt, und ändert ständig den Standort.

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