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メタ物質は負のエネルギーを持つ?

メタ物質は負のエネルギーを持つ?

メタマテリアル初心者です。電磁界は少し解ります。

メタマテリアルで負の誘電率や負の透磁率が設定されていますが
これは負の電気エネルギーや負の磁気エネルギーを物質内部は
もつということなのでしょうか。W=1/2(eE^2+uH^2)が電磁場
のエネルギー密度と思っていましたので不思議です。
原点のとり方が違うのでしょうか。
それとも定義が全く異なるのでしょうか。
よろしくお願いします。

投稿日時 - 2010-05-24 12:51:24

QNo.5918052

困ってます

質問者が選んだベストアンサー

yyz1974様、お詳しいですね。どこかの先生でしょうか。

現在のメタマテリアルはほぼご想像のとおりと見てよいかと思います。

理想的には、負の誘電率や負の透磁率を持つ自然界の材料を見つけてくるか
合成などで作り出せれば良いのでしょうが、それが今は出来ていないので
共振器などを用いて、動作を模擬しているような状態です。

それでとりあえず良しとしているのは、負の誘電率、透磁率を作り出すのが
最終目的ではなく、負の屈折率や負の位相速度を実現して、
何か面白い用途を考えようというのを目的としているからです。

現在のSRRなどは強い分散を持ちますので、いろいろと問題はありますが
狭い帯域ながらも、変わった現象はいくつか実現できています。

今後、透明マントや完全レンズなどを実現するには、SRRなどとは違う
広帯域で動作するメタマテリアルの新しい原理が必要になると思います。

今は、回路屋や物理屋が、手持ちの技術で何とか、負に近い状況を作り出して
変わった現象を実現しようとがんばってますが、材料屋が絡んで、企業が量産性
を与えてくれれば、何十年後かには、ちゃんとした負の材料が出てくるかもしれません。

その時には、今、各研究室で、SRRなどを用いて研究して積み上げている事が、
活きてくるかと思います。

温かい目で見てやってください。
また、いろいろな方面からメタマテリアルの研究を進めていただけると
良いと思いますので、ご興味がありましたら、研究をしてみてください。

投稿日時 - 2010-05-28 22:40:33

お礼

gr_metamaterial
様ご回答ありがとうございました。私はメタマテをやっている人たちはマイナスの
エネルギーをどう考えておられるのだろうという気持ちで質問を投げかけました。

質問をするのは良いことですね。ご回答をいただいたりとんまな質問を繰り返したり
するうちに自分の頭の中が整理されてきました。勿論私はこの研究が大成功を収める
ことを応援しています。それだけに基礎になる考え方は理解しておきたいと思った
次第です。ご活躍をお祈りします。

投稿日時 - 2010-05-28 23:57:54

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回答(3)

負というのは電磁界のベクトルの向きの問題ですから
右向きであろうと、左向きであろうとエネルギーは変わりません。

ご質問の式は誘電率、透磁率が正の値をとる前提でのものと
考えてよいかと思います。

投稿日時 - 2010-05-26 19:36:43

補足

gr_metamaterial様 ご回答ありがとうございました。

メタマテリアルというのは実は誘電率も透明磁率も負ではないという事ですね。
両方負の値の媒質でマクスウェル方程式を解いてそれと全く同じ電磁界
のふるまいをするように普通の正の値のLやCで人工的な仕掛けを作った
人工物質のことををメタマテリアルというのですね。そこに使うのがSRRという
共振素子なのですね。これは多分Sprit Ring Resonator の略ですね。

このお話が正しいとすればgr_metamaterial様が言われる媒質の符号が
正であるという前提は理解できます。これだとマイナスのエネルギーは
確かに存在しませんね。-LをCに置き換え、-CをLに置き換えるの
ですから。

しかしこの見事な置き換えで負のエネルギーの存在を回避したつけはどこ
かに回ってきていませんか。例えば強い周波数分散を持つというのは置き
換えのときに共振素子を使わざるを得ないからでしょうか。

さらに置き換えの代償として負の磁気エネルギーを正の電気エネルギー
に負の電気エネルギーを正の磁気エネルギーにしていませんか。もし
これなら回路動作は真似出来ても出発点である電磁界と全く違う電磁界
が出来上がる事になるのではないでしょうか。

尤も回路動作に電磁界を論じる必要はないとも言えますね。この時電圧波
や電流波の位相速度と電力伝送の向きとの関係のみをを問題にすれば強い
周波数分散を除いて全く問題なく負の誘電率、透磁率の位相速度とポイン
ティングベクトルとの関係を模擬できる事になるのではと想像します。

もう一度ご意見を賜りお礼を述べて質問をクローズします。
ありがとうございました。

投稿日時 - 2010-05-28 13:25:59

負というのは電磁界のベクトルが通常と逆という事です。

透磁率でいえば、電流方向にたいして
右ねじの方向に磁界ができるところが、
左ねじの方向になっているという状態です。
その状態を、SRRと呼ばれる共振器で作り出すことができます。


なおメタマテリアルでは透磁率、誘電率を負にすることはできますが
LとCは正のままです。

投稿日時 - 2010-05-25 21:08:39

補足

ご回答ありがとうございました。メタマテリアは人工的な仮想の材料と理解しています。
したがって今はまずLCのことは伏せておいて考えています。このときの誘電率や透磁率が
負であるとはどういうことか知りたいのです。

>透磁率でいえば、電流方向にたいして
右ねじの方向に磁界ができるところが、
左ねじの方向になっているという状態です。

この部分は大変良く理解できました。その時磁性体に蓄えられたエネルギーは従来の定義
では1/2(uH^2)*体積なので負になりませんかというのが私の質問です。
どうかもう一度よろしくお願いします。

投稿日時 - 2010-05-25 23:40:44

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