www.wikidata.uk-ua.nina.az

Метаматеріал Метаматеріа л в загальному випадку композит який має властивості що не зустрічаються у природі в частковому

Метаматеріал

Метаматеріа́л — в загальному випадку композит який має властивості, що не зустрічаються у природі, в частковому випадку — водночас від'ємні діелектричну й магнітну проникності. Метаматеріали  – це штучно сформовані і особливим чином структуровані середовища, які мають електромагнітні властивості, що виходять за межі властивостей компонентів, з яких вони складаються. Метаматеріали синтезують шляхом введення в природний матеріал різних періодичних структур з найрізноманітнішими геометричними формами, які модифікують діелектричну і магнітну сприйнятливість матеріалу.

Загальна інформація Редагувати

Мононегативні матеріали Редагувати

Подвійний кільцевий резонатор.

У природі існують середовища, які можуть демонструвати від'ємні значення діелектричної (плазма) або магнітної (ферити) проникностей при деяких умовах і деякому діапазоні частот. Такі середовища будуть непрозорими для електромагнітного випромінювання в тому випадку, коли характерна товщина матеріалу буде більша за товщину скін-шару. Непрозорість можна пояснити за допомогою наступного співвідношення для хвильового числа, вираженого через частоту ω, швидкість поширення електромагнітної хвилі в вакуумі с, діелектричну ε і магнітну μ проникності:

Оскільки в даній формулі ε або μ від'ємні, то хвильовий вектор є чисто уявним, що і означає затухання електромагнітних хвиль в такому середовищі. В числі штучних середовищ з від’ємним ε однією з перших була описана система з тонких металевих провідників, які розташовані паралельно. Основні структури, які використовуються для отримання негативного значення μ, на сьогоднішній день включають тонкі вкладені металеві циліндри, рулонні структури типу «рулет», вкладені розрізані кільця, Ω-подібні і прямокутні рамки, подвійні кільцеві резонатори і т. д. Подвійний кільцевий резонатор (split ring resonator, SRR)  – дуже вдала структура, в якій ємність між двома кільцями компенсується їхньою індуктивністю. Змінне магнітне поле з вектором напруженості, перпендикулярним поверхні кілець, викликає потоки, які в залежності від резонансних властивостей структури, породжують вторинне магнітне поле, яке підсилює початкове або протидіє йому, що приводить до додатних або від’ємних ефективних значень μ.

Припущення Веселаго Редагувати

У 1967 році радянський фізик Віктор Веселаго передбачив існування матеріалу з негативним показником заломлення. Його припущення засновувалося на наступному логічному прийомі: якщо зробити від'ємними діелектричну і магнітну проникність в формулах для хвильового числа і показника заломлення (ці величини є прямо пропорційними), то це не приведе до уявних значень. Формула для показника заломлення:

Оскільки результатом операції взяття квадратного кореня є два числа з різними знаками, то Веселаго запропонував у випадку негативних значень ε і μ брати від'ємні значення показника заломлення і хвильового числа.

Початок активних досліджень Редагувати

Хоча теоретичне дослідження деяких характерних для метаматеріалів явищ можна знайти ще в наукових роботах початку XX століття, але активні експериментальні дослідження розпочалися лише в кінці минулого сторіччя. Перший матеріал з негативним значенням показника заломлення був отриманий в 2000 році науковою групою Девіда Сміта з Каліфорнійського університету (Сан-Дієго, США).

Бінегативні середовища Редагувати

Неважко здогадатись, що для отримання негативного значення показника заломлення потрібно поєднати дві запропоновані вище періодичні системи, які будуть забезпечувати ε < 0 і μ < 0 кожна окремо (наприклад, система металевих провідників і подвійних кільцевих резонаторів). Вважається, що електрична і магнітна сприйнятливість результуючого середовища є суперпозицією електричної і магнітної сприйнятливості вищезазначених ізольованих систем. Оскільки елементи обох систем розміщуються дуже близько в метаматеріалі, тому вони можуть взаємодіяти між собою. Системи, що забезпечують негативну питому провідність і негативну проникність, потрібно розмістити таким чином, щоб взаємодія між їхніми елементами через їхні квазістатичні поля мінімізована. В системі металевих провідників і подвійних кільцевих резонаторів це забезпечується наступним чином: магнітній потік, створений дротом на його найближчому подвійному кільцевому резонаторі, зникає, таким чином, що на індуктивність дроту не впливає резонатор. Отже, якщо виконується умова мінімізації квазістатичної взаємодії між полями складових метаструктури, то можна застосувати принцип суперпозиції і робити розрахунок для кожної періодичної структури окремо.

Променезаломлення на межі бінегативного і звичайного середовищ

Властивості Редагувати

Випромінювання Черенкова у випадку: а) звичайного середовища; б) бінегативного.
Зміщення Гуса-Хенхена у випадку: а) звичайних середовищ; б) бінегативного і звичаного.
  • Метаматеріали є дисперсійними середовищами. Цей факт випливає з того факту, що густина електромагнітної енергії не може бути від'ємною.

Густина електромагнітної енергії в середовищі без дисперсії:

де Е - напруженість електричного поля; Н - напруженість магнітного поля.

Але, оскільки ε і μ від'ємні, то і густина енергії негативна, що є невірним.

Густина електромагнітної енергії в середовищі з дисперсією:

Звичайно, написані вище похідні повинні бути додатними.

,

то видно, що він пропорційний показнику заломлення, який в метаматеріалах від'ємний.

Застосування Редагувати

  • Ось лише декілька прикладів використання при конструюванні конструкцій електрично малих антен (ЕМА):
    • для виготовлення підкладинок в друкованих антенах для досягнення широкосмуговості і зменшення розмірів випромінювачів (μ-негативні та бінегативні матеріали);
    • компенсація реактивності ЕМА в широкій смузі частот (ε-негативні та бінегативні матеріали);
    • формування вузьких діаграм спрямованості елементарними випромінювачами, що занурені в ε-негативні або бінегативні матеріали .
  • ε-негативні метаматеріали вже встигли себе зарекомендувати при моделюванні плазми.
  • μ-негативні матеріали використовуються для маскування об’єктів (для запобігання виявлення засобами радіорозвідки в деякому діапазоні частот), створення загороджувальних фільтрів з частотними характеристиками, що близькі до ідеальних (наприклад, прямокутна амплітудно-частотна характеристика) та з широкими можливостями для перестройки таких фільтрів.
  • Бінегативні метаматеріали в оптичному діапазоні можуть дозволити подолати дифракційну межу розділення звичайної оптики, що дасть змогу покращити якість отримуваного зображення за рахунок підсилення ближніх (неоднорідних) хвиль, які відповідають за переніс інформації про деталі, розміри яких значно менші за довжину хвилі.

Див. також Редагувати

Примітки Редагувати

  1. Веселаго, В. Г. Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями ε и μ // УФН. — 1967. — Т. 92 (липень). — С. 517–526. — DOI:10.3367/UFNr.0092.196707d.0517.
  2. Slyusar V.I. Metamaterials on antenna solutions.// 7th International Conference on Antenna Theory and Techniques ICATT’09, Lviv, Ukraine, October 6–9, 2009. pp. 19–24 [1] [ 27 квітня 2021 у Wayback Machine.]
  3. ↑ Слюсар, Вадим. Метаматериалы в антенной технике: история и основные принципы // Электроника: наука, технология, бизнес. — 2009. — № 7. — С. 70–79.
  4. ↑ Слюсар, Вадим. Метаматериалы в антенной технике: основные принципы и результаты // Первая миля. Last Mile (Приложение к журналу «Электроника: Наука, Технология, Бизнес»). — 2010. — № 3-4. — С. 44–60.
  5. Вадим Слюсар. 60 лет теории электрически малых антенн. Некоторые итоги // Электроника: наука, технология, бизнес. — 2006. — № 7. — С. 10–19.
  6. ↑ Вадим Слюсар. Метаматериалы в конструкциях антенн // Электроника: наука, технология, бизнес. — 2009. — № 8. — С. 66–70.

Посилання Редагувати

Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри
Дата публікації:
Metamateria l v zagalnomu vipadku kompozit yakij maye vlastivosti sho ne zustrichayutsya u prirodi v chastkovomu vipadku vodnochas vid yemni dielektrichnu j magnitnu proniknosti Metamateriali ce shtuchno sformovani i osoblivim chinom strukturovani seredovisha yaki mayut elektromagnitni vlastivosti sho vihodyat za mezhi vlastivostej komponentiv z yakih voni skladayutsya Metamateriali sintezuyut shlyahom vvedennya v prirodnij material riznih periodichnih struktur z najriznomanitnishimi geometrichnimi formami yaki modifikuyut dielektrichnu i magnitnu sprijnyatlivist materialu Zmist 1 Zagalna informaciya 1 1 Mononegativni materiali 1 2 Pripushennya Veselago 1 3 Pochatok aktivnih doslidzhen 1 4 Binegativni seredovisha 2 Vlastivosti 3 Zastosuvannya 4 Div takozh 5 Primitki 6 PosilannyaZagalna informaciya RedaguvatiMononegativni materiali Redaguvati nbsp Podvijnij kilcevij rezonator U prirodi isnuyut seredovisha yaki mozhut demonstruvati vid yemni znachennya dielektrichnoyi plazma abo magnitnoyi feriti proniknostej pri deyakih umovah i deyakomu diapazoni chastot Taki seredovisha budut neprozorimi dlya elektromagnitnogo viprominyuvannya v tomu vipadku koli harakterna tovshina materialu bude bilsha za tovshinu skin sharu Neprozorist mozhna poyasniti za dopomogoyu nastupnogo spivvidnoshennya dlya hvilovogo chisla virazhenogo cherez chastotu w shvidkist poshirennya elektromagnitnoyi hvili v vakuumi s dielektrichnu e i magnitnu m proniknosti k w c ϵ m displaystyle k frac omega c sqrt epsilon mu nbsp Oskilki v danij formuli e abo m vid yemni to hvilovij vektor ye chisto uyavnim sho i oznachaye zatuhannya elektromagnitnih hvil v takomu seredovishi V chisli shtuchnih seredovish z vid yemnim e odniyeyu z pershih bula opisana sistema z tonkih metalevih providnikiv yaki roztashovani paralelno Osnovni strukturi yaki vikoristovuyutsya dlya otrimannya negativnogo znachennya m na sogodnishnij den vklyuchayut tonki vkladeni metalevi cilindri rulonni strukturi tipu rulet vkladeni rozrizani kilcya W podibni i pryamokutni ramki podvijni kilcevi rezonatori i t d Podvijnij kilcevij rezonator split ring resonator SRR duzhe vdala struktura v yakij yemnist mizh dvoma kilcyami kompensuyetsya yihnoyu induktivnistyu Zminne magnitne pole z vektorom napruzhenosti perpendikulyarnim poverhni kilec viklikaye potoki yaki v zalezhnosti vid rezonansnih vlastivostej strukturi porodzhuyut vtorinne magnitne pole yake pidsilyuye pochatkove abo protidiye jomu sho privodit do dodatnih abo vid yemnih efektivnih znachen m Pripushennya Veselago Redaguvati Dokladnishe Material z negativnim pokaznikom zalomlennya en U 1967 roci radyanskij fizik Viktor Veselago peredbachiv isnuvannya materialu z negativnim pokaznikom zalomlennya 1 2 Jogo pripushennya zasnovuvalosya na nastupnomu logichnomu prijomi yaksho zrobiti vid yemnimi dielektrichnu i magnitnu proniknist v formulah dlya hvilovogo chisla i pokaznika zalomlennya ci velichini ye pryamo proporcijnimi to ce ne privede do uyavnih znachen Formula dlya pokaznika zalomlennya n ϵ m displaystyle n sqrt epsilon mu nbsp Oskilki rezultatom operaciyi vzyattya kvadratnogo korenya ye dva chisla z riznimi znakami to Veselago zaproponuvav u vipadku negativnih znachen e i m brati vid yemni znachennya pokaznika zalomlennya i hvilovogo chisla Pochatok aktivnih doslidzhen Redaguvati Hocha teoretichne doslidzhennya deyakih harakternih dlya metamaterialiv yavish mozhna znajti she v naukovih robotah pochatku XX stolittya ale aktivni eksperimentalni doslidzhennya rozpochalisya lishe v kinci minulogo storichchya Pershij material z negativnim znachennyam pokaznika zalomlennya buv otrimanij v 2000 roci naukovoyu grupoyu Devida Smita z Kalifornijskogo universitetu San Diyego SShA 3 4 Binegativni seredovisha Redaguvati Nevazhko zdogadatis sho dlya otrimannya negativnogo znachennya pokaznika zalomlennya potribno poyednati dvi zaproponovani vishe periodichni sistemi yaki budut zabezpechuvati e lt 0 i m lt 0 kozhna okremo napriklad sistema metalevih providnikiv i podvijnih kilcevih rezonatoriv Vvazhayetsya sho elektrichna i magnitna sprijnyatlivist rezultuyuchogo seredovisha ye superpoziciyeyu elektrichnoyi i magnitnoyi sprijnyatlivosti vishezaznachenih izolovanih sistem Oskilki elementi oboh sistem rozmishuyutsya duzhe blizko v metamateriali tomu voni mozhut vzayemodiyati mizh soboyu Sistemi sho zabezpechuyut negativnu pitomu providnist i negativnu proniknist potribno rozmistiti takim chinom shob vzayemodiya mizh yihnimi elementami cherez yihni kvazistatichni polya minimizovana V sistemi metalevih providnikiv i podvijnih kilcevih rezonatoriv ce zabezpechuyetsya nastupnim chinom magnitnij potik stvorenij drotom na jogo najblizhchomu podvijnomu kilcevomu rezonatori znikaye takim chinom sho na induktivnist drotu ne vplivaye rezonator Otzhe yaksho vikonuyetsya umova minimizaciyi kvazistatichnoyi vzayemodiyi mizh polyami skladovih metastrukturi to mozhna zastosuvati princip superpoziciyi i robiti rozrahunok dlya kozhnoyi periodichnoyi strukturi okremo nbsp Promenezalomlennya na mezhi binegativnogo i zvichajnogo seredovishVlastivosti RedaguvatiNegativnij livobichnij pokaznik zalomlennya V metamaterialah prisutnye negativne promenezalomlennya Dlya vikonuyetsya zakon Sneliusa nbsp Viprominyuvannya Cherenkova u vipadku a zvichajnogo seredovisha b binegativnogo nbsp Zmishennya Gusa Henhena u vipadku a zvichajnih seredovish b binegativnogo i zvichanogo Metamateriali ye dispersijnimi seredovishami Cej fakt viplivaye z togo faktu sho gustina elektromagnitnoyi energiyi ne mozhe buti vid yemnoyu Gustina elektromagnitnoyi energiyi v seredovishi bez dispersiyi W 1 2 ϵ E 2 m H 2 displaystyle W frac 1 2 epsilon E 2 mu H 2 nbsp de E napruzhenist elektrichnogo polya N napruzhenist magnitnogo polya Ale oskilki e i m vid yemni to i gustina energiyi negativna sho ye nevirnim Gustina elektromagnitnoyi energiyi v seredovishi z dispersiyeyu W 1 2 ϵ w w w E 2 m w w w H 2 displaystyle W frac 1 2 frac partial epsilon omega omega partial omega E 2 frac partial mu omega omega partial omega H 2 nbsp Zvichajno napisani vishe pohidni povinni buti dodatnimi Zvorotni hvili Hvilovij vektor i vektor Umova Pojntinga napryamleni v protilezhni storoni Abo sho te same vektori fazovoyi i grupovoyi shvidkostej mayut protilezhni znaki Obernenij efekt Doplera Yaksho zapisati zsuv chastoti pri efekti Doplera v nastupnomu viglyadi w w 0 n v c displaystyle triangle omega omega 0 frac nv c nbsp to vidno sho vin proporcijnij pokazniku zalomlennya yakij v metamaterialah vid yemnij Zvorotne viprominyuvannya Cherenkova Negativne zmishennya Gusa Henhena Sam efekt polyagaye v poperechnomu zsuvi vidnosno trayektoriyi poshirennya hvilovogo puchka linijno polyarizovanogo hvilovogo puchka na granici dvoh seredovish pri povnomu vnutrishnomu vidbitti Zastosuvannya RedaguvatiOs lishe dekilka prikladiv vikoristannya pri konstruyuvanni konstrukcij elektrichno malih anten EMA 5 dlya vigotovlennya pidkladinok v drukovanih antenah dlya dosyagnennya shirokosmugovosti i zmenshennya rozmiriv viprominyuvachiv m negativni ta binegativni materiali 3 4 6 kompensaciya reaktivnosti EMA v shirokij smuzi chastot e negativni ta binegativni materiali formuvannya vuzkih diagram spryamovanosti elementarnimi viprominyuvachami sho zanureni v e negativni abo binegativni materiali 6 e negativni metamateriali vzhe vstigli sebe zarekomenduvati pri modelyuvanni plazmi m negativni materiali vikoristovuyutsya dlya maskuvannya ob yektiv dlya zapobigannya viyavlennya zasobami radiorozvidki v deyakomu diapazoni chastot stvorennya zagorodzhuvalnih filtriv z chastotnimi harakteristikami sho blizki do idealnih napriklad pryamokutna amplitudno chastotna harakteristika ta z shirokimi mozhlivostyami dlya perestrojki takih filtriv Binegativni metamateriali v optichnomu diapazoni mozhut dozvoliti podolati difrakcijnu mezhu rozdilennya zvichajnoyi optiki sho dast zmogu pokrashiti yakist otrimuvanogo zobrazhennya za rahunok pidsilennya blizhnih neodnoridnih hvil yaki vidpovidayut za perenis informaciyi pro detali rozmiri yakih znachno menshi za dovzhinu hvili Div takozh RedaguvatiFotonnij kristalPrimitki Redaguvati Veselago V G Elektrodinamika veshestv s odnovremenno otricatelnymi znacheniyami e i m UFN 1967 T 92 lipen S 517 526 DOI 10 3367 UFNr 0092 196707d 0517 Slyusar V I Metamaterials on antenna solutions 7th International Conference on Antenna Theory and Techniques ICATT 09 Lviv Ukraine October 6 9 2009 pp 19 24 1 Arhivovano 27 kvitnya 2021 u Wayback Machine a b Slyusar Vadim Metamaterialy v antennoj tehnike istoriya i osnovnye principy Elektronika nauka tehnologiya biznes 2009 7 S 70 79 a b Slyusar Vadim Metamaterialy v antennoj tehnike osnovnye principy i rezultaty Pervaya milya Last Mile Prilozhenie k zhurnalu Elektronika Nauka Tehnologiya Biznes 2010 3 4 S 44 60 Vadim Slyusar 60 let teorii elektricheski malyh antenn Nekotorye itogi Elektronika nauka tehnologiya biznes 2006 7 S 10 19 a b Vadim Slyusar Metamaterialy v konstrukciyah antenn Elektronika nauka tehnologiya biznes 2009 8 S 66 70 Posilannya RedaguvatiMetamaterial Internet portal Journal Metamaterials published by Elsevier homepage Online articles Metamaterials in ScienceDirect RSS feed for Metamaterials articles published in Physical Review Journals MetaMaterials net Web Group Virtual Institute for Artificial Electromagnetic Materials and Metamaterials METAMORPHOSE VI AISBL European Network of Excellence METAMORPHOSE on Metamaterials Otrimano z https uk wikipedia org w index php title Metamaterial amp oldid 39721835