L'ultima barriera verso l'Ultra

Rappresentazione artistica dell'induttore multistrato di grafene intercalato (spirale blu centrale) che... [+] si basa sull'induttanza cinetica. Le immagini di sfondo mostrano i suoi predecessori che si basavano sull'induttanza magnetica, un concetto di gran lunga inferiore e meno efficiente per la microelettronica.

Nella corsa al miglioramento continuo della tecnologia, ci sono due capacità tecniche correlate che fanno avanzare il nostro mondo: velocità e dimensioni. Questi sono correlati, poiché più piccolo è un dispositivo, minore è la distanza che il segnale elettrico che guida il dispositivo deve percorrere. Poiché siamo riusciti a ridurre lo spessore del silicio, a stampare gli elementi dei circuiti più piccoli e a sviluppare transistor sempre più miniaturizzati, i miglioramenti in termini di velocità e potenza di calcolo e la diminuzione delle dimensioni dei dispositivi sono andati di pari passo. Ma allo stesso tempo questi progressi hanno fatto passi da gigante, un elemento fondamentale del circuito - l'induttore - ha visto il suo design rimanere esattamente lo stesso. Presente ovunque, dai televisori ai laptop, dagli smartphone ai caricabatterie wireless, alle radio e ai trasformatori, è uno dei componenti elettronici più indispensabili esistenti.

Dalla loro invenzione nel 1831 da parte di Michael Faraday, il loro design è rimasto sostanzialmente invariato. Fino al mese scorso, quando un team dell’UC Santa Barbara guidato da Kaustav Banerjee ha dimostrato un tipo di induttore fondamentalmente nuovo. Senza le limitazioni del design originale dell’induttore, dovrebbe consentire un nuovo passo avanti nella miniaturizzazione e nella velocità, aprendo potenzialmente la strada a un mondo più connesso.

Una delle prime applicazioni della legge di induzione di Faraday fu quella di notare che una bobina di filo,... [+] che creerebbe un campo magnetico al suo interno, potrebbe magnetizzare un materiale, provocando un cambiamento nel suo campo magnetico interno. Questo campo variabile indurrebbe quindi una corrente nella bobina sull'altro lato del magnete, provocando la deflessione dell'ago (a destra). Gli induttori moderni si basano ancora su questo stesso principio.

Il modo classico in cui funzionano gli induttori è uno dei progetti più semplici possibili: una semplice bobina di filo. Quando si fa passare una corrente attraverso un circuito o una bobina di filo, si crea un campo magnetico attraverso il centro. Ma secondo la legge di induzione di Faraday, il cambiamento del campo magnetico induce una corrente nel circuito successivo, una corrente che si oppone a quella che stai cercando di creare. Se crei una maggiore densità della bobina o (ancora meglio) metti un nucleo di materiale magnetizzabile all'interno dell'induttore, puoi aumentare notevolmente l'induttanza del tuo dispositivo. Ciò si traduce in induttori che sono molto efficaci, ma che devono anche essere fisicamente piuttosto grandi. Nonostante tutti i progressi che abbiamo fatto, il limite fondamentale di questo stile di progettazione significa che c'è stato un limite alle dimensioni che un induttore può raggiungere.

Anche con tutte le rivoluzioni che il XIX, il XX e il XXI secolo hanno portato con sé nell'elettronica,... [+] l'induttore magnetico convenzionale, concettualmente, rimane praticamente invariato rispetto ai progetti originali di Faraday. Credito immagine: Shutterstock.

Le applicazioni, tuttavia, sono enormi. Insieme ai condensatori e ai resistori, gli induttori sono uno dei tre elementi passivi che costituiscono le fondamenta di tutta l'elettronica. Crea una corrente elettrica della giusta intensità e frequenza e costruirai un motore a induzione. Passa il nucleo magnetico dentro e fuori attraverso la bobina e genererai elettricità da un movimento meccanico. Invia correnti sia CA che CC lungo il circuito e l'induttore bloccherà la CA consentendo al tempo stesso il passaggio della CC. Possono separare segnali di frequenze diverse e, quando si utilizza un condensatore insieme a un induttore, è possibile creare un circuito sintonizzato, di fondamentale importanza nei ricevitori televisivi e radiofonici.

La fotografia mostra i grandi grani di un materiale pratico per l'immagazzinamento dell'energia,... [+] titanato di calcio-rame (CCTO), che è uno dei "supercondensatori" più efficienti e pratici al mondo. La densità della ceramica CCTO è pari al 94% della densità teorica massima. Condensatori e resistori sono stati completamente miniaturizzati, ma gli induttori restano indietro.