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ワイヤレス給電の開発研究の進展:電源の変化、多分散多共有
http://www.asyura2.com/15/nature6/msg/562.html
投稿者 手紙 日時 2017 年 7 月 09 日 20:44:43: ycTIENrc3gkSo juiOhg
 

件名:ワイヤレス給電の開発研究の進展
日時:20170615
媒体:Nature
出所:http://www.natureasia.com/ja-jp/research/highlight/11948
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ワイヤレス給電の開発研究の進展


Nature

2017年6月15日
Physics: Wireless charging on the move

電源から遠ざかるLED電球にも電気を流し続けることのできるワイヤレス給電系について報告する論文が、今週掲載される。

ワイヤレス給電の開発研究には数々の進展が見られ、埋め込み型医療機器への電力供給、停止状態の電気自動車のワイヤレス充電といった応用への道が開かれた。しかし、動作条件(例えば、ワイヤレスで電力供給を受けるデバイスと電源との距離)が変わっても効率的な給電を維持できるロバストなシステムを作ることは難題だった。

今回、Shanhui Fanたちの研究グループは、こうした電源との距離が変化しても高い給電効率を実現するワイヤレス給電系を作り出した。Fanたちは、量子物理学の概念であるパリティ-時間対称性の原理を用いて電気回路を作製し、電源との距離が約1メートルの範囲内で変化しても一定の給電効率を確保できることを実証した。また、FanたちはLED電球を電源から遠ざける実験を行い、電源との距離が約1メートルに達するまでLED電球に電気を流し続けることができ、一定の輝度が得られることも実証した。

Fanたちは、こうした新知見を応用して、電力を伝送する距離と方向が絶えず変化する移動中のデバイスや車両にも電気を送れるようになる可能性があると考えている。

DOI:10.1038/nature22404 | 英語の原文

「Nature 関連誌注目のハイライト」は、ネイチャー広報部門が報道関係者向けに作成したリリースを翻訳したものです。より正確かつ詳細な情報が必要な場合には、必ず原著論文をご覧ください。


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//memo

*Robust wireless power transfer using a nonlinear parity–time-symmetric circuit
http://dx.doi.org/10.1038/nature22404

*乱雑さを決める時間の対称性を発見
−100年前の物理と数学の融合が築くミクロとマクロの架け橋−
http://www.riken.jp/pr/press/2016/20160427_2/

:共同研究チームは、ネーターの定理に従ってこのエントロピーの保存則を導く対称性を探そうと考えました。そこで、エントロピーの保存則が断熱下のゆっくりした変化でのみ成立することに注目し、「物質を構成する粒子の運動が、マクロな物質の熱力学量のゆっくりとした時間変化に対応する条件」を数式として書き出しました。これが鍵となり、マクロな熱力学の時間変化とミクロな力学の時間変化が結び付きました。

実際、その条件を満たすミクロな運動に限った場合にのみ、時間に対する特別な対称性が現れることが分かりました。具体的には、「ミクロな粒子の運動を記述する時間をずらしても、ずらす前の運動と同じ法則に従う」という対称性があるかどうかを調べました。その結果、量子力学のプランク定数を温度で割った分だけ、時間をずらすように選んだときにのみ、そのような対称性が現れました。そして、ネーターの定理をその対称性に適用することで得られる保存量がエントロピーと一致しました。ここでの温度はボルツマンの公式によって決まる量であり、時間に依存して変化します(図)。

これは、これまでにない対称性の発見であり、どのような物質にも現れうる普遍的なものです。ここで興味深いのが、この理論は完全に古典論に基づくにもかかわらず、プランク定数の存在が自然と導かれた点です。これは、エントロピーと量子力学の深い関係を示していると考えられます。:

:補足説明

1.対称性
ある運動法則に従う粒子の軌道に、ある変換を施すとする。もし変換後の軌道が前と同じ運動法則に従うならば、「その運動法則はその変換に対して対称性がある」という。例えば、摩擦のない平坦な床にボールを転がすと、等速直線運動という軌道を描く。今度は、先ほどとは異なるところから転がすと、再び等速直線運動をする。これは、床の均一性という対称性を表し、「空間並進対称性」と呼ばれる。この対称性に対応して、ネーターの定理により運動量が保存される。

2.エントロピー
熱力学において物質の状態を表す量の1つ。物質を構成する粒子の乱雑さを表わす。温度が一定に保たれたままゆっくり変化する場合には、受け取る熱を温度で割った量が変化する前と後でのエントロピーの差となる。断熱されたままゆっくり変化する場合にはエントロピーは一定の値をとる。以上の熱測定によってエントロピーを決定できる。

3.ブラックホール
重たい星の寿命の最後に形成されうる、重力の非常に強い領域のこと。一般相対性理論では、重力は時空の幾何学で表現されるため、ブラックホールは極端に曲がった時空だと言える。20世紀後半にホーキングは、「量子力学の効果により、ブラックホールは温度とエントロピーを持つ」ことを示した。興味深いことに、そのエントロピーは通常の物質と異なり、体積ではなく表面積に比例している。そのミクロな乱雑さの起源はまだ分かっていないが、時空の微視的構造に関係するため、多くの研究者がこの問題に取り組んでいる。

4.プランク定数
物理学における基本定数の1つ。量子論においてエネルギーと振動数を結びつける普遍的な比例係数として定義され、量子力学的な振る舞いを特徴付ける。hと記され、h=6.6 x 10-34ジュール秒という値を持つ。

5.時間の矢
熱い湯と冷たい水を混ぜると自然にぬるま湯になるが、ぬるま湯が湯と水に分かれることはない。このように、時間には向きがあり、それを「時間の矢」という。:
 

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コメント
 
1. 2017年7月10日 18:10:56 : nJF6kGWndY : n7GottskVWw[3984]

>ワイヤレス給電の開発研究の進展

板違い

エネルギー板向けだな
https://www.nature.com/nature/journal/v546/n7658/full/nature22404.html

>乱雑さを決める時間の対称性を発見 

こっちは大分前の話だな

ネーターの定理から、非保存量であるエントロピーが保存するケースでは、時間対称性が成立していないといけないという、ある意味、直観的には明らかな話を数学的に導出できたのがポイント

https://arxiv.org/pdf/1509.08943.pdf
We study a classical many-particle system with an external control represented by a timedependent
extensive parameter in a Lagrangian. We show that thermodynamic entropy of the
system is uniquely characterized as the Noether invariant associated with a symmetry for an in-
finitesimal non-uniform time translation t → t + η~β, where η is a small parameter, ~ is the Planck
constant, β is the inverse temperature that depends on the energy and control parameter, and
trajectories in the phase space are restricted to those consistent with quasi-static processes in thermodynamics.


2. 2017年7月10日 19:17:49 : gDExPZd4MY : GLMe7TGW9ww[15]

>>01

> 量子物理学の概念であるパリティ-時間対称性の原理を用いて電気回路を作製

これが何なのか、知りたいけれども、じぇんじぇん分かりません。

むねんざんねん、糸口さえつかめない…

だから、「時間の対称性」で検索したおもろいものを貼り付けただけです。

さっそくのご指摘、さすがです。投稿記事とはあまり?関係なかったのですね。

うん、量子力学って、がっこで習った覚えはないんやけど、これ、おもろい。


3. 2017年7月11日 19:01:41 : nJF6kGWndY : n7GottskVWw[3992]
>>02 量子物理学の概念であるパリティ-時間対称性の原理を用いて電気回路を作製 これが何なのか

パリティ-時間対称性原理の元になる対称性に関しては↓が参考になるかも

https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%AF%BE%E7%A7%B0%E6%80%A7_(%E7%89%A9%E7%90%86%E5%AD%A6)
https://ja.wikipedia.org/wiki/CPT%E5%AF%BE%E7%A7%B0%E6%80%A7


全体は、natureの論文を読めば書いてあるが、
応用した電気回路については下の模式図などがポイントだな

赤い点線がPTのスキームで、これまでの調和振動子的なスキームより距離に対してロスが少なくなっている


理論
https://www.nature.com/nature/journal/v546/n7658/images/nature22404-f1.jpg
Nature 546, 387–390 (15 June 2017) doi:10.1038/nature22404
Comparison between conventional and PT-symmetry-based wireless power transfer schemes as the source–receiver resonant coupling rate κ varies as a function of transfer distance d.

a, Conventional scheme. A harmonic wave at a frequency ω is generated, coupled to the source resonator at a rate γ1, transferred across distance d before being delivered to the load at the receiver resonator at a rate γ2.

b, PT-symmetric scheme. Power is generated at the source resonator via a gain element with a gain rate g1, transferred to and taken out at the receiver resonator by a load with a loss rate γ2. c, Transfer efficiency as a function of the separation distance between source and receiver for a conventional scheme without frequency tuning (black line), a conventional scheme with adaptive frequency tuning (blue dashed line) and a PT-symmetry-based scheme (red dotted line).

https://www.nature.com/nature/journal/v546/n7658/images_article/nature22404-f2.jpg

a, Coupled-mode theory model of a pair of coupled gain–loss resonators. Triangle indicates gain; resistor symbol indicates loss. b, c,
Steady-state mode frequencies and their saturated gain rates as a function of coupling rate.
The mode frequencies are obtained by solving equation (3) for a loss rate γ2 = 0.01 and the gain rates from equation (4). When computed at matched resonance

(b), ω1 = ω2 = 1, we can recover the solutions to the exact PT-symmetric phase in the strong coupling region ( ) with balanced gain and loss (g1 = γ2) and mode frequency splitting of .
In the weak coupling region ( ), gain saturation reduces the steady-state gain ( ), and the steady state has a frequency of ω1. Similar mode frequency behaviour survives with a small detuning

(c): ω1 = 1, ω2 = 0.999; here the lower-frequency branch in the strong coupling requires a higher gain rate (dashed lines). In all these cases the steady-state frequencies are real.

回路図と検証
https://www.nature.com/nature/journal/v546/n7658/images_article/nature22404-f3.jpg

Figure 3: Experimental verification of PT-symmetry-based wireless power transfer.
Experimental verification of PT-symmetry-based wireless power transfer.
a, Circuit theory model for PT-symmetric wireless power transfer, showing inductor (L), capacitor (C), resistor (R) and amplifier (A); the triangle marked ‘×1’ is a voltage buffer. b, Photo of our experiment. S is the source resonator; R is the receiver. c–e, Coupled-mode theory (cmt), circuit simulation (sim) and experimental (exp) results showing voltage ratio (c), frequency (d) and phase (e). The two sets of simulations (red and magenta) use slightly different C2 and R1 values to make the frequency bifurcation visible. The parameters for the circuit simulations are provided in Extended Data Table 1.


4. 2017年7月11日 19:10:12 : nJF6kGWndY : n7GottskVWw[3993]

工学的な本質はゲインg1を発振側に入れることで、受信側のロスが減るということで

その理論式が1〜4式、その原理がP-T対称性にあるということ

そして対称性自体は元々の世界に備わった性質だから、それを、こうした回路を使うことで上手く利用できたということだな


5. 2017年7月12日 01:11:34 : KDMiDOXvAY : F2V_rw1U3p8[18]

>>03 >>04

いろいろありがとうございます。参考にします。

しかし、おーよそ、ちんぷんかんぷんです。

まるで洞窟の中、壁に映る影を見ているようです。

とりあえず、物理のブックマークフォルダを作りましたw


では


6. 2017年7月12日 18:34:29 : nJF6kGWndY : n7GottskVWw[4005]

物理の基礎(量子力学と電磁気)がわかっていれば、そう難しい式ではないけどね

7. 金太マカオに着く[82] i@CRvoN9g0qDSYLJkoWCrQ 2017年7月12日 19:08:17 : 7Mao2VQWW2 : E5G9pNPmu9I[149]
なんや判らん
けど電磁波を使わず給電できるなら素晴らしいな

それは決して傍受できない、一対一の通信にも使われるだろう
それを組み合わせてプライベートなネットワークも構築できるだろう
安倍一味が盗聴しているから、対抗策として必要になるな

[32初期非表示理由]:担当:スレ違い多数により全部処理


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