دانلود رایگان ترجمه مقاله فرامواد الکترومغناطیسی – الزویر ۲۰۱۳

مقاله انگلیسی رایگان

ترجمه فارسی رایگان 

این مقاله مروری بر فرامواد الکترومغناطیسی بر اساس این ایده دارد که مواد کامپوزیتی وجود دارد که خواص آن ها بستگی به نوع و ابعاد عناصر ساختاری علاوه بر ابعاد سلول واحد دارد.از بزرگی عناصر ساختاری، تنها گذردهی منفی و تراوایی بسیار بالا در دامنه فرکانس مایکرویو و رادیویی انتخاب شدند. روش تعیین پارامتر های ساختاری فرامواد بر اساس پارامترهای s یا انتقال و ضرایب بازتاب ارایه می شود. به علاوه برخی کاربرد های فرامواد توصیف می شوند، توجه زیادی بر لنز های کامل و ساختار های جدید یعنی رول سوییس مخروطی، ساعت های الکترومغناطیسی و حسگر ها برای ارزیابی غیر مخرب مواد شده است. با توجه به این که تفکیک پذیری مکانی این حسگر ها را می توان به طور قابل توجهی در مقایسه با حسگر های کلاسیک بهبود بخشید،لنز های فرامواد برای دست ورزی امواج محو شونده مورد استفاده قرار داد.
۱-مقدمه
یکی از ابعاد قابل ملاحظه توسعه تمدن بشری، قصد و نیت او برای ساختن چیزی است که در محیط اطراف وجود نداشته است(۱). در امتدا افراد سعی می کردند تا اشیای پیرامون خود را مرتب کنند. سپس آنها شروع به تغییر شکل و ساختمان اشیا کرده و آن ها را به چندین بخش تقسیم کردند و سپس انواع مختاف را با هم ترکیب کرده و انسان توانست به ساختن اشیای جدید نائل آید. مواد مفیدی شروع به استخراج از منابع طبیعی شده و پیچیدگی روش ها با هدف کسب موادی با خواص خاص افزایش پیدا کرد. سپس مواد به دلیل توسعه روش های دست ورزی در سطوح مولکولی و اتمی سنتز شدند. به علاوه، خواص منحصر به فرد مواد را می توان با دست ورزی ساختار های خاص، و کامپوزیت های مختلف تولید کرد.
به هر حال، هر ماده یک کامپوزیت است حتی اگر تک تک اجزای آن اتم ها و مولکول ها باشند(۲). از این روی این تنها گام برای جایگزینی اتم های مفهوم اصلی با ساختارهایی بروی بزرگ مقیاس و تبدیل مواد به فرامواد می باشد.
فرامواد به صورت آرایشی از عناصر ساختار مصنوعی برای دستیابی به خواص مناسب و غیر طبیعی محسوب می شوند. بررسی دقیق فرایند اصطلاح شناسی در (۳) نشان داده شده است.
در بیشتر موارد، فرامواد متشکل از یک شبکه دوره ای از عناصر و یا مجموعه ای از عناصر می باشند که شباهت زیادی به بلور ها دارد که در شکل ۱ نیز نشان داده شده است. عناصر ساختاری فرامواد موسوم به فرا اتم و فرامولکول ها می باشند. از طریق فرامواد ارایه شده در شکل ۱، به شناسایی مش های سیم، همنواگر های حلقه تقسیم کننده، رول مخروطی سوییس، رول سوییس، را می توان شناسایی کرد که توسعه این قطب جذاب امکان ایجاد عناصر سازنده دیگر را می دهد.
یک ماده بی شکل از آرایش تصادفی و نامنظم عناصر ساختاری مصنوعی وجود دارد. ما باید ساختار های دوره ای تعریف شده توسط سلول واحد از ابعاد مشخص a در نظر بگیریم که توسط(۲) تعریف می شود:

که طول موج امواج الکترومغناطیسی برخوردی می باشد.
در این محدوده، تراوایی و گذردهی موثر یک مفهوم معتبر می باشد.
فرامواد دارای کاربرد های گسترده ای می باشند که شامل تولید لنز های کامل( ۴-۶)، و پوشش های نامرئی (۷-۸)، آنتن(۹-۱۰) و انواع مختلف حسگر ها(۱۱-۱۳) می باشند.
هدف این مقاله مرور حوزه فرامواد الکترومغناطیسی با تاکید پیشرفت در فناوری های سنجش با استفاده از فرامواد می باشد.
۲-عناصر ساختاری فرامواد
امروزه، طیف وسیعی از عناصر ساختاری فرامواد شناخته شده هستند که دارای خواص الکترومغناطیسی خاص می باشند. در اصل، عناصر ساختاری فرامواد را می توان به دو مقوله طبقه بندی کرد: مواد با گذردهی دی الکتریک منفی و در دامنه فرکانسی خاص، موادی با گذردهی منفی و یا تراوایی مغناطیسی بالا متشکل از مواد پارامغناطیسی است.

شکل ۱: مفهوم فرامواد
۲-۱ موادی با گذردعی منفی
۲٫۱٫۱ فلزات و پلاسمون ها در فرکانس های نوری
در فرکانس های نوری، بسیاری از فلزات دارای گذردهی دی الکتریک منفی در صورتی می باشند که الکترون های رسانا در مواد به صورت آزاد فرض شوند. این رفتار شبه پلاسما است که مسئول گذردهی منفی دی الکتریک در فرکانس های کوچک تر از فرکانس پلاسما می باشد. گذردهی دی الکتریک فلزات به شکل ذیل به دست می آید:

که فرکانس حجمی، ثابت میرایی و فرکانس زاویه ای امواج الکترومغناطیسی صفحه ای برخوردی می باشد. فرکانس پلاسمای حجمی بستگی به تراکم الکترون n ، وزن الکترون me و بار e دارد:

این تئوری دراد برای خصوصیات انتشار پلاسما است(۱۴). معادله انتشار شکل ذیل را می دهد:
و در شکل ۲ نشان داده شده است.
در پایین تر از فرکانس پلاسما، در یک مدل تنها حالت های محو شونده می تواند وجود داشته باشد. دو حالت منحط در فرکانس پلاسما وجود دارد که در شکل ۲ نشان داده شده است.

a b s t r a c t

This paper proposes a review of electromagnetic metamaterials based on the idea that these are composite materials, their properties depending of the type and dimensions of the structural elements as well as the dimensions of unit cell. From the multitude of structural elements, only few that could present negative permittivity and negative or very high permeability in the range of radio and microwave frequency were chosen. The method of determination for the constitutive parameters (eff and εeff) of metamaterials based on the S parameters or transmission and reflection coefficients is presented. Moreover, some applications of metamaterials are described, the attention being focused on perfect lenses and novel structures, namely conical Swiss rolls, electromagnetic cloaks and sensors for nondestructive evaluation of materials. Given that the spatial resolution of these sensors can be substantially improved in comparison to classical sensors, the metamaterial lenses are used for the manipulation of evanescent waves. © ۲۰۱۳ Elsevier B.V. All rights reserved. 1. Introduction One ofthe remarkable aspects ofthe human civilizational development is the intention to create or construct something that is not available in natural surroundings [1]. Initially, people attempted to rearrange objects around them. Then, they started to modify the shape and structure of the objects, to split them into parts, to combine different ones, the humanity reaching then to make their first tools. Useful substances started to be extracted from natural resources, the complexity of procedures increasing together with the aim of obtaining materials with specified properties. Further on, the materials have been synthetized due to the development of manipulation methods at molecular and atomic levels respectively. Furthermore, spectacular properties of materials can be also obtained by manipulation of certain structures, various composites being thus created. Somehow, every material is a composite, even if the individual components are atoms and molecules [2]. Therefore, it is only a small step to replace the atoms of the original concept with structures on a larger scale and to pass from materials to metamaterials. Metamaterials are an arrangement of artificial structural elements designed to achieve advantageous and unusual properties. A detailed consideration of the terminology is presented in [3]. In most cases, metamaterials consists of a periodical lattice of identical elements (or sets of elements), being analogy to crystals, as showed in Fig. 1. The constitutive elements of a metamaterial are ∗ Tel.: +40 232430680. E-mail address: grimberg@phys-iasi.ro named metaatoms or metamolecules. Through the metaatoms presented in Fig. 1, detailed analyzed in the paper, we can identify wire meshes, splitter ring resonators, conical Swiss rolls, Swiss rolls, further development of this fascinating domain allowing other types of constitutive elements. An amorphous substance consists of random or irregular arrangement of artificial structural elements. We shall consider periodic structures defined by a unit cell of characteristic dimensions a, defined by [2] a  where  is the wavelength of incident electromagnetic waves. In this limit an effective permittivity and permeability is a valid concept. Metamaterials have various applications, starting from perfect lenses [4–۶] and invisible cloaks [7,8], antennas [9,10] and different types of sensors [11–۱۳]. This paper aims to be a review in the domain of electromagnetic metamaterials, focusing on the state of the art in sensing technologies using metamaterials. 2. Metamaterials structural elements Nowadays, a multitude of metamaterials structural elements types are known, giving special electromagnetic properties. In principle, the structural elements of metamaterials might be classified into two categories: those with negative dielectric permittivity and, in a certain frequency range, those with negative magnetic 0921-5107/$ – see front matter © ۲۰۱۳ Elsevier B.V. All rights reserved. http://dx.doi.org/10.1016/j.mseb.2013.03.022 1286 R. Grimberg / Materials Science and Engineering B 178 (2013) 1285–۱۲۹۵ Fig. 1. Metamaterial concept. permeability or very high magnetic permeability, although the elements are made from paramagnetic materials.