kategorier: Utvalda artiklar » Intressanta elektriska nyheter
Antal visningar: 13320
Kommentarer till artikeln: 0

Första nanoelektrisk motor

 

Tyska teoretiker från University of Augsburg har föreslagit en originalmodell av en elmotor som arbetar med kvantmekanikens lagar. Ett speciellt utvalt externt växlande magnetfält appliceras på två atomer placerade i ett ringformat optiskt galler vid en mycket låg temperatur. En av atomerna, som forskarna kallade "bäraren", börjar röra sig längs det optiska galleret och efter ett tag når konstant hastighet, spelar den andra atomen rollen som en "startare" - tack vare interaktionen med den börjar "bäraren" sin rörelse. Hela strukturen kallas en kvantatommotor.

Den första fungerande elmotorn designades och demonstrerades 1827 av den ungerska fysikern Agnos Jedlic. Förbättringen av olika tekniska processer leder till miniatyrisering av olika enheter, inklusive enheter för att konvertera elektrisk eller magnetisk energi till mekanisk energi. Nästan 200 år efter skapandet av den första elmotorn nådde deras storlek mikrometertröskeln och steg in i nanometerregionen.

Ett av de många mikro / nanoskala elmotorprojekten föreslogs och implementerades av amerikanska forskare 2003 i en artikel av rotationsaktuatorer baserade på kolnanorör, publicerad i Nature.

Första nanoelektrisk motor

Fig. 1. Atomkvantmotor. Två olika ultralådatomer (bruna och blå bollar) finns i ett ringformigt optiskt galler. Se texten för mer information. Fig. från artikeln som diskuteras i Phys. Rev. Lett.

Första nanoelektrisk motor

Fig. 2. Schematisk ritning av en nanoelektrisk motor. a. Metallrotorplattan (R) är monterad på en flerväggig kolananorör. Elektrisk kontakt med rotorplanet sker genom en kolananorör och förankringar (A1, A2). Tre statorelektroder (S1, S2, S3) placerade på ett kiseloxid SiO2-underlag spelar rollelementen för rotorns rotation - de matas med elektrisk spänning oberoende av varandra. b. Bild av en elektrisk motor som göras genom att använda ett avsökande elektronmikroskop. Skalstångens längd är 300 nm. Fig. från artikeln Rotationsaktuatorer baserade på kol nanorör i naturen

På en flerväggad kol nanorör finns det ett platt metallark R som spelar rollen som en rotor (fig. 2). Nanoröret är monterat på två elektriskt ledande förankringar A1 och A2. Rotorn är placerad mellan de tre elektroderna - statorerna S1, S2 och S3. Genom att applicera en speciell spänning på rotorn och tre statorer kan metallplattans rotationsriktning och hastighet styras. Den flerväggade kolnanorören i denna design tjänar för det första som en elektrisk bygel för att tillföra ström till rotorn, och för det andra som en mekanisk fästning av rotorn.

Och nyligen föreslog teoretiska fysiker från Tyskland i en artikel av ac-Driven Atomic Quantum Motor, publicerad i tidskriften Physical Review Letters, en modell av en motor som har mikrometerdimensioner och arbetar med kvantmekanikens lagar. Motorn består av två samverkande partiklar - två atomer belägna i ett ringformigt optiskt gitter och ligger vid en mycket låg temperatur (fig. 1). Ett optiskt galler är en fälla för sådana ultralådsatomer (med temperaturer i storleksordningen milli eller mikroknivar) som skapas av störande laserstrålar.

Den första atomen är "bäraren" (brun boll i fig. 1), den andra atomen är "startaren" (blå boll). Ursprungligen är partiklarna inte upphetsade och är belägna längst ner i gitterets energibrunn (på nivån med lägsta möjliga energivärde). Ett externt tidsvarierande magnetfält (styrsignal) appliceras på det optiska gittret, vilket påverkar "bäraren" och påverkar inte "startaren". Starten av denna motor, som ett resultat av att "bäraren" börjar sin cirkulära rörelse i det optiska gitteret, utförs genom interaktion med en annan partikel - "startaren".

Närvaron av en "start" -atom i en sådan anordning är nödvändig för kvantmotorns fulla drift.Om det inte fanns någon andra partikel, kunde bäratomen inte starta sin riktade rörelse längs det optiska gitteret. Det vill säga "start" -atomens uppgift är att initiera start av denna motor, att starta den. Faktiskt härifrån kommer namnet på den andra partikeln. Efter en tid når "bäraren", redan under verkan av en växlande signal i form av ett yttre magnetfält, sin toppeffekt - atomhastigheten når sitt maximum och förblir konstant i framtiden.

Nu några ord om villkoren för effektiv drift av en sådan kvantatommotor. Teoretisk forskning från tyska forskare visade att ett externt växlande magnetfält borde bestå av två harmoniska komponenter med givna amplituder och med någon fasförskjutning mellan dem. Denna fasförskjutning mellan komponenterna spelar en nyckelroll i motorn - den låter dig styra motorn, det vill säga ändra hastigheten och rörelseriktningen för "bäraren". Om en enkel harmonisk signal användes och magnetfältet ändrades i tid, till exempel enligt sinuslagen, kunde "bäraren" lika röra sig i det optiska gitteret medurs eller moturs, och det skulle vara omöjligt att kontrollera riktningen och hastigheten på dess rörelse. I fig. Figur 3 visar ett diagram som representerar hastigheten och rotationsriktningen för "bäraren" som en funktion av fasskillnaden för de två övertonerna, beräknade med användning av olika kvantmekaniska tillvägagångssätt.

Första nanoelektrisk motor

Fig. 3. Beroende av rörelsehastigheten hos "bärar" -atom vc på fasskillnaden i övertoner (komponenter) och styrmagnetfältet, beräknat med två olika kvantmekaniska metoder (röd massiv linje och svart streckad linje). Ett negativt hastighetsvärde motsvarar en annan rotationsriktning. Bärarens hastighet mäts i enheter med någon karakteristisk hastighet v0. Fig. från artikeln som diskuteras i Phys. Rev. Lett.

Man ser att den maximala hastigheten för "bäraren" kommer att iakttas när fasskillnaden är π / 2 och 3π / 4. Ett negativt hastighetsvärde innebär att atomen ("bäraren") roterar i motsatt riktning. Dessutom var det möjligt att fastställa att hastigheten för "bärar" -atomen endast når sitt konstanta värde när antalet noder för det optiska gittret är större än eller lika med 16 (se fig. 3, antalet noder är grovt sett antalet hoppare mellan "kullar"). Så i fig. 3 beräknas beroendet av "bärarhastigheten" av fasskillnaden för 16 noder för det optiska gitteret.

För att den enhet som beskrivs här ska kallas en fullfjädrad motor måste du fortfarande ta reda på hur den fungerar under påverkan av all belastning. I en konventionell motor kan lastens storlek beskrivas som momentet för alla externa krafter eller krafter. En ökning av belastningen leder till en minskning av motorens rotationshastighet, med en ytterligare ökning i momentet av krafter kan motorn börja rotera i ökande riktning med ökande hastighet. Om du ändrar vridmomentets appliceringsriktning kommer en ökning av lasten att leda till en ökning av motorvarvtalet. I vilket fall som helst är det viktigt att en jämn kontinuerlig ökning av belastningen ger samma smidiga och kontinuerliga förändring i motorvarvtalet. Vi kan säga att beroendet av rotationshastigheten av motorbelastningens storlek är en kontinuerlig funktion.

Situationen är helt annorlunda med en kvantatommotor. För det första finns det många förbjudna värden för ögonblicket för externa krafter, vid vilka kvantmotorn inte fungerar - hastigheten för "bäraren" är noll (om inte naturligtvis atomens termiska rörelse är utesluten). För det andra, med en ökning av de tillåtna belastningsvärdena, uppträder motorvarvtalet på ett icke-monotoniskt sätt: en ökning i momentet av krafter leder först till en ökning av "bärarhastigheten", sedan till dess minskning och sedan till en förändring i atomens rotationsriktning med en samtidig ökning av rörelsens hastighet.Generellt sett är beroendet av "bärarens" hastighet av lastvärdet en diskret funktion, som också har fraktala egenskaper. Fraktualitetsegenskapen innebär att det ovan beskrivna beteendet hos en kvantatommotor upprepas i ett regelbundet expanderande intervall av belastningsvärden.

Artikeln föreslår också ett schema för praktisk implementering av denna kvantatommotor. För att göra detta kan du använda en oladdad "start" -atom och en joniserad "bärare" -atom (första alternativet), eller en "startare" kan vara en partikel med noll snurr, och en "bärare" kan vara en atom med en icke-noll snurr (andra alternativ). I det sistnämnda fallet föreslår författarna att använda ytterbium 174Yb-isotoper med noll snurr (dvs boson) och dess 171Yb-isotop med halv-heltal-spin (fermion) eller 87Rb, känd som materialet för den första Bose-Einstein-kondensationen, och 6Li-fermionen. Till exempel, om en litiumatom används som en "bärare", bör den optiska gitterkonstanten för vissa andra motorparametrar (i synnerhet djupet för energikällan för det optiska galleret och massan av atomer) vara 10 μm, och frekvensen för kontrollfältet är mindre än 2 Hz. I detta fall når kvantatommotorn "kraftens topp" (hastigheten för "bäraren" blir konstant) på 1 minut. Med en minskning av perioden för det optiska gittret når enheten sin maximala effekt efter 10 sekunder.

Experimentörer har redan lyckats svara på en publicerad artikel av tyska teoretiker. De tror att det är tekniskt, verkligen, men väldigt svårt att sätta två separat atomer i en sådan ringformig optisk matris. Dessutom är det oklart hur man kan hämta användbart arbete från en sådan motor. Så det är inte känt om projektet för en sådan kvantatommotor kommer att genomföras eller om det kommer att förbli en vacker modell på papper av teoretiker.

Källa: A. V. Ponomarev, S. Denisov, P. Hänggi. Ac-Driven Atomic Quantum Motor // Phys. Rev. Lett. 102, 230601 (2009).

Se även: Minato magnetmotor

Se även på elektrohomepro.com:

  • Hur man skiljer en induktionsmotor från en likströmsmotor
  • Hur man bestämmer rotationshastigheten för en elmotor
  • Mekaniska och elektriska egenskaper hos induktionsmotorer
  • Moderna synkrona jetmotorer
  • Typer av elmotorer och principerna för deras arbete

  •