Indutor: Componente eletrônico é reinventado depois de 180 anos

Com informações da UCSB - 14/03/2018

Ilustração artística do indutor de grafeno, em comparação com os indutores usados hoje.
[Imagem: Peter Allen]

Reinvenção do indutor

Um elemento básico da tecnologia moderna, as bobinas, ou indutores, estão em todo lugar: celulares, computadores, rádios, televisores, carros etc.

Historicamente, à medida que a tecnologia dos transistores avançou, os componentes tornaram-se menores. Mas o indutor, que na sua forma mais simples é um fio metálico enrolado em torno de um núcleo, foi a exceção - eles são essencialmente os mesmos hoje como eram em 1831, quando foram criados por Michael Faraday.

Agora, uma equipe da Universidade da Califórnia em Santa Barbara adotou uma abordagem baseada em materiais para reinventar esse componente fundamental da eletricidade e da eletrônica moderna.

Jiahao Kang e seus colegas exploraram um fenômeno chamado indutância cinética para demonstrar um tipo de indutor fundamentalmente diferente, finalmente miniaturizando essas bobinas.

Indutância

Todos os indutores geram indutância magnética e indutância cinética, mas nos condutores metálicos típicos a indutância cinética é tão pequena que é desprezível.

A indutância magnética depende da área de superfície do indutor, o que explica porque os indutores não foram miniaturizados até hoje. Já a indutância cinética não depende da área do indutor, em vez disso resistindo às flutuações da corrente que alteram a velocidade dos elétrons, e os elétrons resistem a tal mudança de acordo com a lei da inércia de Newton.

Kang então projetou um novo tipo de indutor espiral que explora a indutância cinética, composto por múltiplas camadas de grafeno.

O grafeno de camada única apresenta uma estrutura de banda eletrônica linear e um tempo de relaxamento de impulso correspondentemente grande - alguns picossegundos ou mais, em comparação com os condutores metálicos convencionais, como o cobre, que variam de um centésimo a um milésimo de um picossegundo. Mas o grafeno de camada única tem muita resistência para ser usado em um indutor.

Já o grafeno multicamadas oferece uma solução parcial, proporcionando menor resistência, mas os acoplamentos entre as camadas fazem com que o tempo de relaxamento seja pequeno demais. Kang superou esse dilema inserindo quimicamente átomos de bromo entre as camadas de grafeno - um processo chamado intercalação. Isso não só reduziu a resistência como também separou as camadas de grafeno apenas o suficiente para essencialmente desacoplá-las, aumentando o tempo de relaxamento e, por decorrência, a indutância cinética.

Foto dos protótipos de indutor miniaturizado - ao contrário das bobinas tradicionais, eles são planos.
[Imagem: Jiahao Kang et al. - 10.1038/s41928-017-0010-z]

Indutor miniaturizado

Esse indutor revolucionário, que funciona na faixa de 10 a 50 GHz, fornece uma vez e meia a densidade de indutância de um indutor tradicional, levando a uma redução de um terço na área, além de proporcionar uma eficiência extremamente alta.

E dá para melhorar.

"Há espaço suficiente para aumentarmos ainda mais a densidade da indutância aumentando a eficiência do processo de intercalação, que é o que estamos explorando agora," disse Junkai Jiang, membro da equipe.

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