Per citar aquest document: http://ddd.uab.cat/record/138426
Shaping magnetic felds with superconductor-metamaterial hybrids
Prat Camps, Jordi
Sánchez Moreno, Álvaro, dir. (Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Física)
Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Física

Publicació: [Barcelona] : Universitat Autònoma de Barcelona, 2015
Descripció: 1 recurs electrònic (102 p.)
Resum: El magnetisme és molt important en diverses àrees de la ciència i la tecnologia, cobrint un rang molt ampli d'escales i temes. En aquesta tesis presentem el desenvolupament teòric i la realització experimental de diversos dispositius nous pel control dels camps magnètics. Pel disseny d'aquests s'han emprat diverses estratègies; la teoria de l'òptica de transformació s'ha combinat amb resultats obtinguts directament de les equacions de Maxwell, i les propostes idealitzades han esdevingut dispositius reals mitjançant la combinació de materials ferromagnètics i superconductors formant diferents metamaterials magnètics. En primer lloc presentem l'estudi referent a les capes invisibilitat magnètica. De manera anàloga a com actuaria una capa d'invisibilitat per llum visible, una capa d'invisibilitat magnètica evita que els camps penetrin al seu interior al mateix temps que la capa i el seu contingut són magnèticament indetectables des de l'exterior. En aquesta tesis presentem el desenvolupament de diferents dissenys de capa d'invisibilitat, centrant-nos en un sistema bicapa superconductor-ferromagnètic. Aquesta bicapa ha estat construïda i provada amb èxit. La concentració de camps magnètics també ha estat estudiada. Hem dissenyat una capa concentradora magnètica cilíndrica, la qual concentra els camps magnètics aplicats externs en el seu orifici interior. Alhora, aquesta mateixa capa expulsa el camp magnètic cap a l'exterior quan la font de camp se situa a l'orifici interior. S'han fabricat algunes d'aquestes capes concentradores emprant materials superconductors i ferromagnètics i les seves propietats s'han verificat experimentalment. A més a més també hem demostrat que les capes permeten incrementar l'acoblament magnètic entre circuits. Aquesta propietat l'hem aplicat experimentalment per demostrar que les capes concentradores permeten millorar la transmissió d'energia elèctrica sense fils. Seguidament hem estudiat la transmissió de camps magnètics. A diferència de les ones electromagnètiques que es propaguen fàcilment dins de guies d'ones o fibres òptiques, els camps magnètics decauen ràpidament a mesura que ens allunyem de la font. A fi de superar aquesta limitació hem desenvolupat un sistema de "mànega magnètica" que permet la transferència de camps magnètics estàtics fins a llargues distàncies i que es pot construir combinant adequadament capes superconductores i ferromagnètiques. El disseny l'hem validat a partir de simulacions numèriques i desenvolupaments analítics. Algunes "mànegues" s'han fabricat i les seves propietats ha estat experimentalment demostrades. Finalment hem desenvolupat un forat de cuc magnètic. Inspirats pels forats de cuc cosmològics, que connecten dos punts de l'espai a través d'un camí que se situa fora de l'espai tridimensional convencional, hem desenvolupat un dispositiu capaç de crear l'efecte equivalent per camps magnètics estàtics. Així, el forat de cuc magnètic connecta magnèticament dos punts de l'espai a través d'un camí que és magnèticament indetectable. El dispositiu està format per una "mànega magnètica" recoberta d'una esfera superconductora i una "metasuperfície" ferromagnètica. Les seves propietats han estat estudiades teòricament i el dispositiu ha estat construït. Això ha permès demostrar, també, les seves característiques de manera experimental. En resum, aquesta tesis conté el desenvolupament teòric i la realització experimental de diversos dispositius que permeten la manipulació de camps magnètics. A banda d'estudiar diversos problemes concrets com la invisibilitat magnètica, la concentració o la transmissió de camps, la present recerca ha donat lloc a tot un conjunt d'"eines" que permeten el control i la manipulació de camps magnètics d'una manera general.
Resum: Magnetism is very important in various areas of science and technology, covering a wide range of scales and topics. In this thesis we present the theoretical development and the experimental realization of various novel devices to control magnetic fields. Their design is based on different strategies; transformation optics theory is combined with solutions directly obtained from Maxwell equations, and ideal designs are turned into real devices combining superconducting and ferromagnetic materials forming different magnetic metamaterials. We first study the cloaking of magnetic fields. Analogous to the concept of an "invisibility" cloak for light, a cloak for static magnetic fields prevents fields to penetrate in its interior and makes the cloak itself and its content magnetically undetectable from the exterior. Different designs of magnetic cloak are developed and a bilayer superconductor-ferromagnetic cylindrical cloak is experimentally built and tested. The concentration of magnetic fields is also addressed. A cylindrical magnetic concentrating shell is designed, demonstrating that it concentrates external fields in its interior hole and it also expels the field of internal sources towards the exterior. Different concentrating shells are experimentally built using superconducting and ferromagnetic materials and their properties are validated. We also demonstrate that concentrating shells increase the magnetic coupling between circuits. We apply this property to experimentally demonstrate they enhance the wireless transfer of power. The transfer of static magnetic fields is also studied. Different from electromagnetic waves that easily propagate in waveguides or optical fibers, magnetic fields rapidly decay as one moves far from the source. To overcome this limitation we develop the magnetic hose, a design that allows to transfer static magnetic fields to arbitrary distances and can be realized with an adequate combination of superconducting and ferromagnetic shells. The design is validated using numerical calculations and analytical developments. Some hoses are experimentally built and their properties are demonstrated. Finally we develop a magnetic wormhole. Inspired by cosmological wormholes, that connect two points in space through a path that is out of the conventional 3D space, we study an analogous effect for static magnetic fields. The magnetic wormhole magnetically connects two points in space through a path that is magnetically undetectable. It is composed of an interior magnetic hose surrounded by a spherical superconducting shell and a spherical ferromagnetic metasurface. An actual magnetic wormhole is experimentally built and its properties are demonstrated. To sum up, this thesis contains the theoretical development and the experimental realization of different devices to manipulate magnetic fields. In addition to addressing different particular problems, like magnetic cloaking, concentration or magnetic field transfer, this research has resulted in a whole set of new "tools" to shape and control static magnetic fields in a general way.
Nota: Tesi doctoral - Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Física, 2015
Drets: L'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons Creative Commons
Llengua: Anglès.
Document: Tesis i dissertacions electròniques ; doctoralThesis ; publishedVersion
Matèria: Magnetisme ; Magnetismo ; Magnetism ; Metamaterials ; Metamateriales
ISBN: 9788449054860

Adreça alternativa: http://hdl.handle.net/10803/309138


102 p, 2.6 MB

El registre apareix a les col·leccions:
Documents de recerca > Tesis doctorals

 Registre creat el 2015-09-28, darrera modificació el 2016-06-04



   Favorit i Compartir