文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123057
磁电耦合效应对微纳米尺度热辐射的影响研究
崔龙基,黄勇
(北京航空航天大学航空科学与工程学院,北京 100191)
(Tel: 010-82338498, Email: huangy_zl@)
摘要当材料中的电(磁)偶极子在电场或者磁场中产生磁(电)的交叉响应时,磁电耦合效应即被建立起来。为了研究此效应对微纳米尺度热辐射的影响,本文在涨落电动力学的框架下,利用并矢格林函数方法和涨落耗散原理,建立了热辐射的宏观电磁模型。研究表明:磁电耦合能够强烈调制表面波,从而对热辐射产生较大影响。此研究有望对于利用这种介质(作为热源或热沉)进行微纳米尺度的热管理以及能量转换,起到积极的推动作用。
关键词微纳尺度热辐射;磁电耦合;表面波
0 前言
当物体表面的距离远小于由维恩位移定律决定的特征波长时,表面间的辐射换热可以超过由普朗克黑体辐射定律预测的黑体极限值[1]。在极小的尺度上,物体表面间的辐射热流随着距离降低,呈现出与距离二次方成反比的增强特性。这种距离依赖的热辐射特性,是因为物体表面倏逝波的“光子隧穿”作用而产生的。特别的,当介质界面间能够支持表面波传播时,从物体表面发射的热光子,可以通过与另一物体表面的电子或声子振荡发生谐振响应,从而极大的增强辐射换热[2]。这种增强热辐射效应具有很多重要的应用,比如热成像[3],热二极管[4],太阳能热光伏转换[5]以及纳米热印[6]等
微纳米热辐射对于换热材料的电磁特性有很强的依赖性[7-12]。目前已经有对于等离体材料,极化介电介质材料,磁性材料,磁电介质,等具有不同电磁特性的材料的热辐射研究。在另一方面,除了上述材料中决定其电磁特性的介电常数和磁导率外,还存在第三个描述材料电磁特性的系数磁电耦合系数。当材料中的电(磁)偶极子在外界电场或者磁场作用下产生磁(电)的交叉响应时,材料的磁电耦合效应即被建立起来。这种磁电耦合性,在材料有效介质假设条件下,可以为材料提供手性、互易性等电磁常数。考虑到光与物质的相互作用,磁电耦合性意味着在控制电磁波上又增加了一个新的自由度,从而可能带来新的超过普通电磁介质的特性。然而,到目前为止,还没有对于磁电耦合介质的热辐射特性的研究。为了研究磁电耦合效应对于微纳米尺度热辐射的影响,本文在涨落电动力学的框架下[13],利用并矢格林函数方法和涨落耗散原理,建立了磁电耦合介质间热辐射的宏观电磁模型。
1理论分析
考虑真空中的两半无限大物体分别占据和的空间,假设两物体处于热动力学平衡温度和。由于物体内部存在着粒子的随机热运动,因而产生了原子分子层面的热涨落,涨落产生的电磁波向外发射并逸出物体表面形成倏逝波和传播波。辐射热流可以由真空中电磁场沿垂直于物体表面方向的坡印亭矢量的时间平均值来表示,即。涨落电磁场可以通过求解涨落麦克斯韦方程组以及材料的本构关系获得。磁电耦合材料的本构关系为
(1)
式中,为电位移矢量,为电场强度,为磁流密度,为磁场强度, 和分别表示真空中和材料中的电介质常数(磁导率), 表示物体的磁电耦合性。
在确定材料的本构关系后,求解辐射换热可以归结为求解不同几何结构的电并矢格林函数的问题。对于两无限大平板间辐射换热问题,其并矢格林函数服从[14]
(2)
式中,为狄拉克函数,表示位于物