Метаматериал для усиления магнитных полей

Профессор университета Дьюка (Дюрэм, штат Северная Каролина, США) Ярослав Уржумов предложил метод усиления магнитной составляющей электромагнитных колебаний без увеличения при этом их электрической составляющей. Дело в том, что биологические ткани для магнитных полей прозрачны, и было бы полезно научиться усиливать именно магнитную составляющую электромагнитных колебаний.

Это открыло бы путь к созданию безопасных левитирующих поездов, к построению новых систем беспроводной передачи энергии, и к решению ряда других задач, где есть потребность в сильных переменных магнитных полях, и в то же время это должно быть безопасным для человека. Новые системы будут экономичнее и безопаснее уже существующих аналогов.

Для получения требуемого результата, Ярослав Уржумов предложил использовать магнитно-активный метаматериал, благодаря которому можно получать достаточно сильные магнитные поля, используя при этом ток сравнительно малой силы. Такое решение позволило бы снизить электрические поля, являющиеся в данном случае паразитными, и создавать безопасные и мощные электромагнитные системы.

Численное моделирование, проведенное Ярославом и его коллегами, показало, что созданные на основе метаматериалов с отрицательной магнитной проницаемостью, макроскопические объекты способны при ряде условий усиливать магнитные силы в низкочастотных полях. Это явление исследователи назвали магнитостатическим поверхностным резонансом, который по принципу похож на имеющий место в оптике плазмонный поверхностный резонанс, проявляющийся в материалах с отрицательной диэлектрической проницаемостью.

Смоделированный учеными метаматериал, отличающийся очень высокой, особой анизотропией, обладает отрицательной в одном направлении магнитной проницаемостью, а во всех остальных направлениях магнитная проницаемость положительна. Судя по расчетам, изготовленные объекты будут способны резко усиливать магнитное поле именно за счет резонанса.

Применение этого явления в системах магнитной левитации позволит увеличить массу поднимаемых объектов во много раз, причем затраты электроэнергии, по сравнению с традиционными аналогами, не возрастут. Автор разработки, бывший студент московского физтеха, Ярослав Уржумов уверен в успехе.

Новые системы необычного управления магнитными силами в электромагнитных полях смогут работать и в других областях, как то: крохотные оптические пинцеты для удерживания атомов, или новейшее электромагнитное оружие. Сюда же могут быть отнесены и системы технологии WiTricity , служащие для беспроводной передачи энергии посредством сильного пульсирующего магнитного поля, которые совершенно безвредны как для людей, так и для животных.

В соответствии с моделями Ярослава, группа экспериментаторов Бостонского колледжа (Бостон, штат Массачусетс, США) создает прототип такого метаматериала, можно сказать, магнитного усилителя.

Что касается беспроводной передачи посредством магнитных полей, то совсем недавно, совместно с институтом «Тойота», группа Ярослава Уржумова продемонстрировала весьма практичную передачу электроэнергии на расстояние посредством низкочастотных магнитных полей.

Для повышения эффективности передачи, ученые соорудили квадратную суперлинзу, которая помещалась между передатчиком и приемником. Квадратная линза состояла из множества кубиков, покрытых спиралевидными проводниками. Полученные конструкции, обладающие свойством метаматериала, взаимодействуя с магнитными полями, передавали энергию в узком конусе с максимальной интенсивностью.

По одну сторону от суперлинзы помещалась катушка – передатчик, по которой пропускался переменный ток, создававший переменное магнитное поле. Это магнитное поле, как и положено, снижало свою интенсивность пропорционально квадрату расстояния о тпередатчика, однако благодаря суперлинзе, передатчик, расположенный по другую сторону от нее, принимал достаточное количество энергии даже на расстоянии 30 см. Без применения промежуточной линзы, расстояние передачи не превышало 7,6 см.

Ученый рассказал, что такая беспроводная передача при помощи метаматериалов уже проводилась в лаборатории Mitsubishi Electric, но только на дистанцию, не превышающую размеры передатчика. Теперь же, с применением именно магнитных полей, достигается высокая безопасность и эффективность. Магнитные поля не сильно поглощаются большинством материалов, к тому же магнитные поля индукцией до 3 Тл безопасны, и уже используются в томографии.

В перспективе на этой основе возможно создание беспроводных зарядных мини-устройств для электронных гаджетов . Суперлинзы будут фокусировать магнитные поля для зарядки конкретного устройства, причем параметры линз смогут меняться, и фокус будет перемещаться в пространстве, например, следуя за смартфоном, который его владелец носит по комнате, постоянно меняя местоположение.

Смотрите также по теме:

История открытия и природа магнетизма

Магнитная левитация. Что это такое и как это возможно?

Клетка Фарадея. Работа и применение

Беспроводная передача электроэнергии — основные способы