中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2018

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2018年 9月26日-28日 | 上海世博展览馆

基于Weyl磁铁的热电电源可能为低功率免维护设备供能

2018-08-02

东京大学的物理学家们发明了用一种特殊的材料Weyl磁铁来产生电能的新方法。该方法充分利用整个材料的温度梯度产生电能。这将为制作免维护的遥感设备、医疗植入物铺平道路。


固体物理研究所的Satoru Nakatsuji教授说:“我们的方法利用了一种叫做反常能斯脱(Nernst)效应的现象,以前从未以这种方式利用该效应。我认为这可能会成为新一代低功耗、免维护电子设备的电源。我们创造了一些工程师一直在期待的小型设备。”
 

      那么,这种异常的能斯脱效应的详细情况如何呢?


      Nakatsuji教授说:“异常的能斯脱效应是当磁化的金属片受到电压影响时其内部热梯度产生变化:其一侧温度升高,另一侧温度降低。” 这类似于一种更普遍的现象,称为Seebeck效应,它可以负责热电堆的发电工作,即充当热电发电机的功能部件。有这种效应的材料多用在深空探测器上,如旅行者号和新视野号等。在Seebeck效应作用下,金属的冷热区之间产生了电压,并且与温度梯度平行。然而,反常的能斯脱效应在磁化金属片上产生一个垂直于温度梯度的电压。


      研究人员在一种名为Weyl磁铁的特殊金属(Co2MnGa)中观察到了这种效应。这提供了第一个明确的证据,证明Weyl磁铁中存在一种粒子,使Weyl磁铁具有其独特的特性。这有一些重要的实际应用意义。这种装置比利用Seebeck效应的器件简单得多。由于内部是垂直电压而不是平行电压,得到的薄膜也比柱状结构要简单得多。Nakatsuji表示:“我们的材料更加廉价、完全无毒,这意味着生产的成本要低得多。最重要的是,与以前的设备不同的是,它们在室温下的效率是很高的,因此我们预期很快就能大规模生产这类设备。”


      然而,这种技术产生的电压通常约为Seebeck效应系统的0.1%,即好比0.1微伏与100微伏相比,因此我们在短期内可能不会在太空探测器上使用这种技术。Nakatsuji说:“然而,我们的目标是优化我们的方法,在效率上能够与Seebeck效应系统相媲美。甚至在实现这个目标之前,这种技术的其他优点也可以促使其迅速得到广泛的应用。” 自从2015年发现Weyl磁铁热电材料表现出反常的能斯脱效应以来,它们的发电效率就提高了一千倍,仅最近的每开尔文8微伏的发现,就比先前报道的最高值每开尔文0.1微伏高出一个数量级。


      工程师们正在不断努力提高设备和电源的功率效率。一个普遍的目标是制作出如传感器这类的功能设备,不仅要求可以投入实际工作,还要求能够在不维护或不更换电池的情况下独立运行。它们将通过自身的微热堆装置,利用周围的热量、系统余热、甚至阳光来发电。计算机科学家也对这些发现感兴趣,因为Weyl磁铁很可能用在未来的高速、高密度数据存储技术中。 

来源:网络