电磁扭曲之谜破解助推物联网发展

2015-4-20 15:53| 发布者: 高华华| 查看: 1775| 评论: 0|原作者: 田井呈|来自: 研发埠

摘要: 工程师们最近破解了一个长久以来困扰着人们的电磁场谜团,这个谜团被称为是半导体设计技术的最后一道防线,该突破必将促进微型天线技术的进一步发展,从而对整个无线电通讯领域和物联网产生深远的影响。
       工程师们最近破解了一个长久以来困扰着人们的电磁场谜团,这个谜团被称为是半导体设计技术的最后一道防线,该突破必将促进微型天线技术的进一步发展,从而对整个无线电通讯领域和物联网产生深远的影响。

       据美国《Physical Review Letters》杂志的一篇报道称,剑桥大学的工程师们发现了这种能够产生电磁波的物理现象,该现象被称为电磁场的对称性破缺(symmetry breaking),即电磁“扭曲”。


电场的对称性破缺现象(图像由Wolfram公司的数学软件制作)
一、天线的工作原理

       天线是一种利用电磁波或者无线电波在空间中进行能量运载的电磁装置。天线在作为电磁能量发射端的同时,也是从空间中接收能量的接收端。然而,工程师和研究人员至今仍然无法找到一种确实可行的方案减小天线的尺寸,使得天线和与之相配套的电子电路集成在一起,从而使整个通讯系统微型化。

       据Gehan Amaratunga教授介绍,整个无限通讯系统的小型化受到其天线尺寸的制约,当天线的尺寸减小到某一特定值之下时,将使整个系统的损耗增加,从而效率降低。此外,天线的尺寸还与其所传输的电磁波或无线电波的波长有关,而这些电磁波或无线电波的波长又由所使用设备的传输频率决定。所以,一般情况下,很难调和天线的尺寸和使用设备固有特性两者之间的矛盾。

       除了受到尺寸因素的制约,在天线运用理论方面存在的一些未解之谜,也是阻碍其进一步发展的重要原因。一些有关天线传输理论方面的疑惑,至今仍然找不到合理的解答。例如,研究人员指出,尽管天线技术已经广泛的运用于现实社会中,但却无法找到与之相应的清晰的数学模型。事实上,早在19世纪,英国的物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦就已经提出了广为人知的电磁辐射理论。

二、电磁扭曲现象

       “对于介质天线来说,由于其传输路径中部区域的介电常数很高,对电磁波的阻碍作用增强,这意味着当电磁波进入中部介质区域时,它的传输速度将会减小”Dhiraj Sinha说。“但是关于电磁波在传输介质中部高介电常数区域具体是怎样进行电磁波辐射的,我们并不得而知,60多年以来,这个问题一直困扰着科学家和工程师们”。

       当在压电材料上加上一定电荷以后,由于逆压电效应,材料将发生形变,这是压电材料本身具有的特性。工程师们在对压电材料制成的薄膜进行研究后发现,在某一特定频率下,压电材料会转变成一种能够发射电磁波的物质,并且效率很高。根据这一结果,可以将压电材料作为天线的制作材料,以进行更高效的无线电磁波的传输。

       据相关的结论,该研究团队推断电磁场中的对称性破缺现象与压电材料所表现出的这种属性有关。静止电荷周围空间的电场分布具有对称性。“对于天线,电场分布的这种对称性很明显被破坏了,大量的电场线从天线发射端喷涌而出,分散到空间中,这就与双线传输系统的其中一条传输线断裂了一样,破坏了系统的平衡结构” Sinha说。

三、物联网应用前景

       Amaratunga补充说:“如果想要运用这些材料作为能量传输的介质,那么与利用加速电子的方法一样,需要打破这些材料所产生电场的对称性结构,而有关这方面的电磁场理论研究,仍然存在着很多疑惑没有解开”。Amaratunga说:“我并不是说我们已经提出了有关电磁场理论研究的统一标准,但这些研究结果确实能够帮助我们进一步探索出电磁学与量子机的相关规律,为更广阔的电磁场理论研究打开大门”。

       不仅只是对无线电通讯工程,Amaratunga团队所做的研究还将对物联网(通过互联网实现物物相息、物物相连的理念)技术的发展产生深远的影响。

       据Amaratunga称,这些压电材料可以由铌酸钾、氮化钾和砷化钾等制成,而且制作方法简便。“这很简单,你只需要将它们浓缩就行了”Sinha说。“我们已经取得了该研究在实际运用中的突破,而且从这过程中更好的理解了其工作的机理”。

       原文链接:http://www.engineering.com/DesignerEdge/DesignerEdgeArticles/ArticleID/9924/Engineers-unravel-an-electromagnetism-mystery.aspx
      
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