Niepozorna cewka indukcyjna, która może wiele zmienić
To nie znaczy, niestety, że słynny fizyk w 1831 tak bardzo wyprzedził swoją epokę. Po prostu cewka niezbyt się zmieniła przez te lata, pozostając stosunkowo zacofanym, masywnym elementem wśród nieustannie miniaturyzującej się elektroniki. Niedawno pojawiła się jednak szansa na zredukowanie rozmiarów i masy także tego komponentu.
A to dzięki pracom zespołu naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara, kierowanemu przez profesora Kaustava Banerjee, z Wydziału Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej. On i jego współpracownicy, Jiahao Kang, Junkai Jiang, Xuejun Xie, Jae Hwan Chu i Wei Liu, oraz liczni badacze z uczelni chińskich i japońskich opisali w "Nature Electronics" metodę wykorzystującą zjawisko kinetycznej indukcyjności, która prowadzi do radykalnie nowej konstrukcji cewki indukcyjnej.
Podstawą jest zjawisko induktancji kinetycznej, w której zamiast zmiennego pola magnetycznego indukującego prąd przeciwstawny, jak w induktancji magnetycznej, w grę wchodzi inercja cząsteczek przenoszących prąd elektryczny, takich jak elektrony, przeciwstawia się zmianie ich ruchu. Cewki generują zarówno indukcyjność magnetyczną, jak i kinetyczną, jednak w typowych przewodnikach z metali indukcyjność kinetyczna jest tak mała, że niezauważalna.
"Teoria indukcyjności kinetycznej jest od dawna znana w fizyce skondensowanej materii, jednak nikt nigdy nie używał jej w praktycznych cewkach, ponieważ w konwencjonalnych przewodnikach metalowych ma znikomą wartość", wyjaśnia Banerjee w publikacji.
W przeciwieństwie do magnetycznej, indukcyjność kinetyczna nie zależy od powierzchni cewki. Cewki indukcyjne bazujące na indukcyjności magnetycznej nie mogą być zmniejszone w taki sam sposób, w jaki robi się to z innymi komponentami elektrycznymi, ponieważ potrzebna jest określona powierzchnia, aby uzyskać określony strumień magnetyczny.
Zespół z UCSB zaprojektował nowy rodzaj induktora spiralnego składającego się z wielu warstw grafenu (2). Jednowarstwowy grafen ma zbyt dużą oporność do zastosowania na cewce. Problem ten rozwiązuje wielowarstwowa struktura grafenowa, ale złącza między warstwami powodują problemy z tzw. momentem relaksacji pędu. Naukowcy pokonali tę trudność przez wprowadzenie atomów bromu pomiędzy warstwy grafenu w procesie zwanym interkalacją, który nie tylko zmniejszył oporność, ale również oddzielił warstwy grafenu na tyle, że wydłużył czas relaksacji i zwiększył tym samym indukcyjność kinetyczną.
Nowy typ cewki, pracujący w zakresie częstotliwości 10-50 GHz, oferuje półtora raza większą gęstość indukcyjną niż tradycyjny induktor, co prowadzi do zmniejszenia powierzchni o jedną trzecią, a jednocześnie zapewnia niezwykle dużą wydajność. Wcześniej wysoka indukcyjność i zmniejszone rozmiary były nieosiągalną kombinacją. Badacze zapewniają, że jest jeszcze dużo możliwości dalszego zwiększenia gęstości indukcyjności poprzez zwiększenie wydajności procesu interkalacji, który wciąż jest badany.
Mirosław Usidus
