Безжични източници на енергия. Безжично предаване на електричество: история, технология, оборудване. Най-ефективният метод

В продължение на много години учените се борят с проблема за минимизиране на разходите за електричество. Има различни начини и предложения, но най-известната теория е безжичното предаване на електричество. Предлагаме да разгледаме как се извършва, кой е неговият изобретател и защо все още не е оживен.

теория

Безжичното електричество е буквално предаване на електрическа енергия без проводници. Хората често сравняват безжичното предаване на електрическа енергия с предаването на информация като радиостанции, мобилни телефони или Wi-Fi достъп до Интернет. Основната разлика е, че при радио или микровълнови предавания това е технология, насочена към възстановяване и транспортиране на точно информация, а не енергията, която първоначално е била изразходвана за предаване.

Безжичното електричество е сравнително нова област на технологиите, но тази, която се разраства бързо. Сега се разработват методи за ефективно и безопасно прехвърляне на енергия на разстояние без прекъсване.

Как работи безжичното електричество

Основната работа се основава именно на магнетизма и електромагнетизма, какъвто е случаят с радиоразпръскването. Безжичното зареждане, известно още като индуктивно зареждане, се основава на няколко прости принципа на работа, по-специално технологията изисква две намотки. Предавател и приемник, които заедно генерират променливо, непостоянно токово магнитно поле. От своя страна това поле предизвиква напрежение в приемната намотка; това може да се използва за захранване на мобилно устройство или зареждане на батерия.

Ако насочите електрически ток през проводник, тогава около кабела се създава кръгово магнитно поле. Въпреки факта, че магнитното поле засяга както контура, така и намотката, то се проявява най-силно върху кабела. Когато вземете втора намотка от тел, през която няма електрически ток, преминаващ през нея, и мястото, където поставяме бобината в магнитното поле на първата намотка, електрическият ток от първата намотка ще се предава през магнитното поле и през втората намотка, създавайки индуктивна връзка.

Да вземем за пример електрическа четка за зъби. В него зарядното устройство е свързано към изход, който изпраща електрически ток към навита жица вътре в зарядното устройство, което създава магнитно поле. Вътре в четката за зъби има втора намотка, когато токът започне да тече и благодарение на образуваното магнитно поле четката започва да се зарежда, без да е свързана директно към 220 V захранване.

История

Безжичното предаване на енергия като алтернатива на предаването и разпределението на електрически линии е предложено и демонстрирано за първи път от Никола Тесла. През 1899 г. Тесла представя безжично предаване за захранване на поле от флуоресцентни лампи, разположени на двадесет и пет мили от източник на захранване без използване на проводници. Но по това време беше по-евтино да се свърже 25 мили меден проводник, отколкото да се изграждат персонализирани електрически генератори, които опитът на Tesla изисква. Той никога не е получил патент и изобретението остава в кошчето на науката.

Докато Tesla беше първият човек, който демонстрира практическите възможности на безжичната комуникация през далечната 1899 г., днес има много малко устройства в продажба, това са безжични четки, слушалки, зарядни устройства за телефони и др.

Безжична технология

Безжичното предаване на мощност включва предаване на електрическа енергия или мощност на разстояние без проводници. По този начин основната технология се основава на концепциите за електричество, магнетизъм и електромагнетизъм.

Магнетизъм

Това е основна сила на природата, която кара определени видове материали да се привличат или отблъскват взаимно. Полюсите на Земята се считат за единствените постоянни магнити. Токът на потока в контура генерира магнитни полета, които се различават от осцилиращите магнитни полета по скоростта и времето, необходими за генериране на променлив ток (AC). Силите, които се появяват в този случай, са показани на диаграмата по-долу.

Така се появява магнетизмът

Електромагнетизмът е взаимозависимост на редуващи се електрически и магнитни полета.

Магнитна индукция

Ако проводящ контур е свързан към източник на променлив ток, той ще генерира осцилиращо магнитно поле във и около контура. Ако вторият проводящ контур е достатъчно близо, той ще улови част от това осцилиращо магнитно поле, което от своя страна генерира или индуцира електрически ток във втората намотка.

Видео: как става безжичното предаване на електричество

По този начин има електрическо прехвърляне на мощност от един цикъл или намотка към друг, което е известно като магнитна индукция. Примери за такова явление се използват в електрически трансформатори и генератори. Тази концепция се основава на законите на Фарадей за електромагнитната индукция. Там той заявява, че когато има промяна в магнитния поток, свързан към намотката, индуцираното в бобината ЕМП е равно на произведението на броя на завоите на намотката и скоростта на промяна на потока.

силов съединител

Тази част е необходима, когато едно устройство не може да предаде захранване на друго устройство.

Магнитна връзка се генерира, когато магнитното поле на обекта е в състояние да индуцира електрически ток с други устройства в обсега му.

За две устройства се казва, че са взаимно индуктивно свързани или магнитно свързани, когато са проектирани така, че промяна в тока възниква, когато един проводник индуцира напрежение в краищата на другия проводник чрез електромагнитна индукция. Това се дължи на взаимната индуктивност

технология

Принципът на индуктивното свързване

Двете устройства, взаимно индуктивно свързани или магнитно свързани, са проектирани така, че промяната в тока, когато един проводник индуцира напрежение в краищата на другия проводник, се произвежда чрез електромагнитна индукция. Това се дължи на взаимната индуктивност.
Индуктивният съединител е предпочитан поради способността му да работи безжично, както и устойчивостта на удар.

Резонансното индуктивно свързване е комбинация от индуктивно свързване и резонанс. Използвайки концепцията за резонанс, можете да накарате два обекта да работят в зависимост от сигналите на другия.

Както можете да видите от диаграмата по-горе, резонансът осигурява индуктивността на бобината. Кондензаторът е свързан успоредно на намотката. Енергията ще се движи напред-назад между магнитното поле около намотката и електрическото поле около кондензатора. Тук загубите от радиация ще бъдат минимални.

Съществува и концепцията за безжична йонизирана комуникация.

Също така е осъществимо, но тук трябва да положите малко повече усилия. Тази техника вече съществува в природата, но едва ли има причина да се прилага, тъй като се нуждае от високо магнитно поле, от 2,11 M/m. Той е разработен от брилянтния учен Ричард Волрас, разработчикът на вихровия генератор, който изпраща и предава топлинна енергия на големи разстояния, по-специално с помощта на специални колектори. Най-простият пример за такава връзка е мълния.

Предимства и недостатъци

Разбира се, това изобретение има своите предимства пред кабелните методи и недостатъци. Каним ви да ги разгледате.

Предимствата включват:

Пълна липса на проводници;
Не са необходими захранвания;
Елиминирана е необходимостта от батерия;
Енергията се пренася по-ефективно;
Необходима е значително по-малко поддръжка.

Недостатъците включват следното:

Разстоянието е ограничено;
магнитните полета не са толкова безопасни за хората;
безжичното предаване на електричество, използвайки микровълнови печки или други теории, е практически невъзможно у дома и със собствените си ръце;
висока цена за монтаж.

Домакинските уреди с нематериално захранване, освободени от електрически проводници, не вълнуват за първи път умовете на изобретателите. Но точно сега експертите дойдоха да научат серийни прахосмукачки, подови лампи, телевизори, автомобили, импланти, мобилни роботи и лаптопи за ефективно и безопасно получаване на ток от безжичен източник.

Наскоро екип от учени от Масачузетския технологичен институт (MIT), ръководен от Марин Солячич, направи още една стъпка към превръщането на безжичната електрическа технология от лабораторен „фокус“ в технология, подходяща за възпроизвеждане. Съвсем неочаквано те откриха ефект, който позволява да се увеличи ефективността на предаването. Но преди да говорим за нов експеримент, си струва да направим отклонение.

В този случай като енергиен носител се използва близко магнитно поле, което осцилира с висока честота от няколко мегахерца. Прехвърлянето изисква две магнитни намотки, настроени на една и съща резонансна честота. Учените сравняват предаването на енергия между тях с разрушаването на резониращ стъклен бокал, когато той „чува“ звук със строго определена честота.

Идеализираните (на тази фигура) магнитни намотки (жълти), заобиколени от своите полета (червено и синьо), предават енергия една на друга на разстояние D, много пъти по-голямо от размера на самите намотки. Това е, което учените наричат резонансно магнитно свързване (или свързване) - Resonant Magnetic Coupling (илюстрация WiTricity).

В резултат на взаимодействието на намотките се получава така нареченото "Безжично електричество" (WiTricity). Между другото, тази дума е търговска марка, която принадлежи на едноименната корпорация, основана от Солячич и редица негови колеги от MIT. Корпорацията посочва, че терминът се прилага само за нейната технология и продукти, базирани на нея. Голяма молба е да не се използва "whitecity" като синоним за безжично предаване на енергия като цяло.

Изобретателите също така молят да не се бърка WiTricity с преноса на енергия чрез електромагнитни вълни: те казват, че новият метод е „нерадиативен“.

И още няколко важни „не“, посочени от създателите. WiTricity не е аналог на трансформатор с намотки, разделени на няколко метра (последният в този случай спира да работи). Това не е подобрена електрическа четка за зъби: въпреки че може да се зарежда без електрически контакт, тя все пак изисква поставяне в „докинг станция“, за да доближи предавателната и приемащата индуктивна намотка на разстояние от един милиметър. Whitecity не е микровълнова фурна, способна да изпържи жив обект, тъй като пулсиращото магнитно поле, работещо в системата WiTricity, не влияе на човек. И накрая, „Безжичното електричество“ дори не е „мистериозната и ужасна“ кула на Тесла (Wardenclyffe Tower), с която великият изобретател възнамеряваше да демонстрира предаването на енергия на голямо разстояние.

Марин и колегите му проведоха първия си опит в безжичното предаване на мощност по метода WiTricity до 60-ватова крушка, на повече от два метра от източника, през 2007 г. Ефективността беше ниска - около 40%, но още тогава изобретателите посочиха осезаем плюс на новостта - безопасността.

Приложеното в системата поле е 10 хиляди пъти по-слабо от това, което цари в ядрото на магнитно-резонансния скенер. Така че нито живите организми, нито медицинските импланти, нито пейсмейкърите и другото чувствително оборудване от този вид, нито потребителската електроника могат да усетят ефекта от това поле.

Основните автори на WiTricity са Марин Солячич (вляво), Аристидис Каралис и Джон Йоанопулос. Вдясно: Схематична диаграма на WiTricity. Намотката на предавателя (вляво) е включена в контакта. Рецепция - свързана с консуматора. Линиите на магнитното поле на първата намотка (сини) могат да заобикалят сравнително малки проводими препятствия (и изобщо не забелязват дърво, плат, стъкло, бетон или човек), успешно пренасяйки енергия (жълти линии) към приемащия пръстен (снимка от MIT / Donna Coveney, илюстрация на WiTricity).

Сега Солячич и неговите сътрудници откриха, че ефективността на системата WiTricity се влияе не само от размера, геометрията и настройката на намотките, както и от разстоянието между тях, но и от броя на потребителите. Парадоксално, но на пръв поглед две приемни устройства, разположени на разстояние от 1,6 до 2,7 метра от двете страни на предавателната "антена", показаха 10% по-добра ефективност, отколкото ако връзката се осъществяваше само между един източник и потребител, т.к. беше случаят в предишните експерименти.

Освен това подобрението беше проследено независимо от ефективността на двойките предавател-приемник поотделно. Учените предполагат, че с по-нататъшното добавяне на нови потребители ефективността все още ще се увеличи, въпреки че все още не е ясно с колко. (Подробности за експеримента са разкрити в Applied Physics Letters.)

Предавателната намотка в новия експеримент имаше площ от 1 квадратен метър, а приемните бобини бяха само 0,07 m 2 всяка. И това също е интересно: обемистостта на „приемниците“ в предишни експерименти постави под въпрос желанието на производителите на технологии да доставят оборудването си с такива системи - едва ли бихте искали самозареждащ се лаптоп, чийто блок WiTricity е сравним в размер спрямо самия компютър.

Вляво: 1 - специална схема преобразува обикновения променлив ток във висока честота, захранва предавателната намотка, която създава осцилиращо магнитно поле. 2 - приемната намотка в потребителското устройство трябва да бъде настроена на същата честота. 3 - резонансната връзка между намотките превръща магнитното поле обратно в електрически ток, който захранва крушката.
Вдясно: Според авторите на системата една намотка на тавана може да захранва всички уреди и устройства в стаята – от няколко лампи и телевизор до лаптоп и DVD плейър (илюстрирано от WiTricity).

Но основното е, че ефектът от подобряване на общата ефективност при работа с няколко консуматора означава зелена светлина за синята мечта на Солячич - къща, пълна с различни уреди, захранвани от невидими "неизлъчващи излъчватели", скрити в таваните или стените на стаи.

Или може би не само в стаите, но и в гаража? Разбира се, можете да зареждате електрическа кола по обичайния начин. Но красотата на WiTricity е, че не е нужно да свързвате нищо никъде и дори да помните това - теоретично самата кола може да бъде обучена при пристигането си в гаража (или на паркинга на компанията) да изпрати „заявка“ до система и захранвайте батерията от магнитна намотка, положена в пода.

Между другото, в някои експерименти специалистите на WiTricity увеличиха мощността на предаване до три киловата (и започнахме, припомняме, с 60-ватова крушка). Ефективността варира в зависимост от целия набор от параметри, но според корпорацията при достатъчно близки намотки може да надхвърли 95%.

Не е трудно да се отгатне, че обещаващ метод за предаване на електроенергия на няколко броя измервателни уреди без проводници и необходимостта от насочване на някакъв вид „мощни лъчи“ трябва да представлява интерес за широк кръг от компании. Някои вече работят сами в тази посока.

Например, изхождайки от принципите, обосновани и тествани от Солячич и неговите колеги, Intel сега разработва своята модификация на резонансно предаване на мощност - Wireless Resonant Energy Link (WREL). Още през 2008 г. компанията постигна брилянтен резултат в тази област, демонстрирайки "магнитен" пренос на ток с ефективност от 75%.

Един от прототипите на Intel WREL, който предава безжично мощност (заедно с аудио сигнала) от MP3 плейър към малък високоговорител (снимка от gizmodo.com).

Собствени експерименти, възпроизвеждащи експериментите на физици от Масачузетския технологичен институт, сега се провеждат от Sony.

Солячич обаче е убеден, че иновацията му няма да бъде загубена сред продуктите на други конкуренти. В крайна сметка откривателите на технологията са тези, които най-вече са пълнили конуси с нея и са готови за нейното задълбочено проучване и усъвършенстване. Да кажем, че настройката дори на чифт намотки не е толкова проста, колкото изглежда на повърхностен поглед. Ученият е извършвал експерименти в лабораторията няколко години подред, преди да изгради система, която работи наистина надеждно.

Демонстрация на LCD екран, захранван от първия прототип на домакинския комплект WiTricity. Предавателната намотка е на пода, приемната намотка е на масата (снимка на WiTricity).

"Wireless Electricity", според авторите му, първоначално е замислен като OEM продукт. Ето защо в бъдеще можем да очакваме появата на тази технология в продуктите на други компании.

И вече е пуснат пробен балон към потенциални потребители. През януари, на CES 2010 в Лас Вегас, китайската компания Haier показа първия в света напълно безжичен HDTV телевизор. Не само видео сигналът от плейъра се предаваше на екрана му по въздуха (за което беше използван официално роденият само месец по-рано стандартът Wireless Home Digital Interface), но и захранването. Последното беше осигурено именно от технологията WiTricity.

А компанията на Солячич преговаря с производителите на мебели за монтиране на рулони в маси и стени на шкафове. Първото съобщение за сериен продукт от партньора WiTricity се очаква до края на 2010 г.

Като цяло експертите прогнозират появата на истински бестселъри на пазара – нови продукти с вграден WiTricity приемник. И никой все още не може да каже със сигурност какви неща ще бъдат.

Haier е един от най-големите производители на потребителска електроника в света. Не е изненадващо, че неговите инженери се заинтересуваха от възможността за комбиниране на най-новите технологии за безжично предаване на HDTV сигнал и безжично захранване и дори успяха да бъдат първите, които показват подобно устройство в действие (снимки engadget.com, gizmodo. com).

Любопитно е, че историята на WiTricity започва преди няколко години с поредица от злощастни събуждания от Марин. Няколко пъти през месеца го събуждаше сигнал на разреден телефон с молба за "храна". Ученият, който забрави навреме да свърже мобилния телефон към контакта, беше изненадан: не е ли смешно, че телефонът се намира на няколко метра от електрическата мрежа, но не е в състояние да получава тази енергия. След поредното събуждане в три сутринта Солячич си помисли: би било чудесно, ако телефонът може да се грижи за собственото си зареждане.

Имайте предвид, че не говорихме веднага за нова версия на „черги“ за зареждане на джобни устройства. Такива системи работят само ако устройството е поставено директно върху „подложката“ и това не е по-добре за забравящите хора от необходимостта просто да включите проводниците в контакта. Не, телефонът трябваше да получава електричество навсякъде в стаята или дори в апартамента и няма значение дали сте го оставили на маса, диван или перваза на прозореца.

Тук обичайната електромагнитна индукция, насочени микровълнови лъчи и „предпазливи“ инфрачервени лазери не бяха подходящи. Марин започна да търси други възможности. Едва ли би могъл да си помисли тогава, че след известно време бипкащ и „гладен“ телефон ще го накара да създаде своя собствена компания и появата на технология, която може да „направи заглавия“ и, което е по-важно, да заинтересува индустриалните партньори.

Нека добавим, че изпълнителният директор на корпорацията Ерик Гилър веднъж разказа подробно за принципите, историята и бъдещето на WiTricity.

Безжично предаване на електричество

Безжично предаване на електричество- метод за предаване на електрическа енергия без използване на проводими елементи в електрическа верига. До годината има успешни експерименти с предаване на енергия с мощност от порядъка на десетки киловата в микровълновия диапазон с ефективност от около 40% - през 1975 г. в Голдстоун, Калифорния и през 1997 г. в Гранд Басин на Реюнион Остров (обхват от порядъка на километър, изследвания в областта на електрозахранването на селото без полагане на кабелни електропреносни мрежи). Технологичните принципи на такова предаване включват индуктивно (на къси разстояния и относително ниски мощности), резонансно (използвано в безконтактни смарт карти и RFID чипове) и насочено електромагнитно за относително големи разстояния и мощности (в диапазона от ултравиолетови до микровълни).

История на безжичното предаване на енергия

1820 : Андре Мари Ампер открива закона (по-късно наречен на откривателя, законът на Ампер), показващ, че електрическият ток произвежда магнитно поле.
1831 История: Майкъл Фарадей открива закона за индукцията, важен основен закон на електромагнетизма.
1862 : Карло Матеучи е първият, който провежда експерименти за предаване и приемане на електрическа индукция, използвайки плоски спираловидни намотки.
1864 : Джеймс Максуел систематизира всички предишни наблюдения, експерименти и уравнения в електричеството, магнетизма и оптиката в последователна теория и строго математическо описание на поведението на електромагнитното поле.
1888 : Хайнрих Херц потвърди съществуването на електромагнитното поле. " Апарат за генериране на електромагнитно поле» Hertz беше микровълнов или UHF искров "радиовълнов" предавател.
1891 : Никола Тесла подобри радиочестотния захранващ предавател на херциански вълни в своя патент №. 454.622, "Електрическа осветителна система."
1893 : Tesla демонстрира безжично флуоресцентно осветление в проект за Колумбийското световно изложение в Чикаго.
1894 : Тесла пали лампа с нажежаема жичка безжично в лабораторията на Пето авеню, а по-късно и в лабораторията на Хюстън Стрийт в Ню Йорк, чрез „електродинамична индукция“, тоест чрез безжична резонансна взаимна индукция.
1894 : Jagdish Chandra Bose дистанционно запалва барут и удря камбаната с помощта на електромагнитни вълни, показвайки, че комуникационните сигнали могат да се изпращат безжично.
1895 : А. С. Попов демонстрира изобретения от него радиоприемник на среща на Физическия отдел на Руското физико-химическо общество на 25 април (7 май)
1895 : Bosche предава сигнал на разстояние от около една миля.
1896 : Гулиелмо Маркони кандидатства за изобретяването на радиото на 2 юни 1896 г.
1896 О: Tesla предава сигнал на разстояние от около 48 километра.
1897 : Гулиелмо Маркони предава текстово съобщение с морзова азбука на разстояние от около 6 км с помощта на радиопредавател.
1897 : Tesla подава първия от своите патенти за безжично предаване.
1899 : В Колорадо Спрингс Тесла пише: „Провалът на метода на индукция изглежда огромен в сравнение с метод за възбуждане на земен и въздушен заряд».
1900 : Гулиелмо Маркони не успя да получи патент за изобретението на радиото в Съединените щати.
1901 : Маркони предава сигнал през Атлантическия океан с помощта на апарата на Тесла.
1902 : Тесла срещу Реджиналд Фесенден: Конфликт на патент на САЩ № 21.701 „Система за предаване на сигнали (безжична). Селективно включване на лампи с нажежаема жичка, електронни логически елементи като цяло.
1904 : На Световното изложение в Сейнт Луис се предлага награда за успешен опит за управление на двигател на дирижабъл с мощност 0,1 к.с. (75 W) от мощност, предавана дистанционно на разстояния по-малко от 100 фута (30 m).
1917 : Кулата Wardenclyffe, построена от Никола Тесла за провеждане на експерименти за безжично предаване на висока мощност, е разрушена.
1926 : Шинтаро Уда и Хидецугу Яги публикуват първата статия " относно управлявана насочена връзка с висок коефициент на печалба”, добре известен като „антената на Яги-Уда” или антената на „вълновия канал”.
1961 : Уилям Браун публикува статия за възможността за пренос на енергия чрез микровълни.
1964 : Уилям Браун и Уолтър Кроникт демонстрират по канала CBS Newsмодел на хеликоптер, който получава цялата необходима енергия от микровълнов лъч.
1968 : Питър Глейзър предлага безжично предаване на слънчева енергия от космоса с помощта на технологията "Power Beam". Това се счита за първото описание на орбитална енергийна система.
1973 : Първата в света пасивна RFID система, демонстрирана в Националната лаборатория в Лос Аламос.
1975 : Комуникационният комплекс Goldstone Deep Space експериментира с предаване на мощност от десетки киловата.
2007 : Изследователски екип, ръководен от професор Марин Солячич от Масачузетския технологичен институт, предава безжично на разстояние от 2 m мощността, достатъчна за запалване на 60 W крушка с ефективност 60 W. 40%, като се използват две намотки с диаметър 60 cm.
2008 : Bombardier предлага нов продукт за безжично предаване PRIMOVE, мощна система за трамвайни и леки железопътни приложения.
2008 : Intel възпроизвежда експериментите на Никола Тесла през 1894 г. и групата на Джон Браун през 1988 г. за безжично предаване на мощност към светлинноефективни лампи с нажежаема жичка. 75%.
2009 : Консорциум от заинтересовани компании, наречен Wireless Power Consortium, обяви предстоящото завършване на нов индустриален стандарт за индукционни зарядни устройства с ниска мощност.
2009 : Представено е индустриално фенерче, което може безопасно да работи и да се зарежда без контакт в атмосфера, наситена със запалим газ. Този продукт е разработен от норвежката компания Wireless Power & Communication.
2009 : Haier Group представи първия в света напълно безжичен LCD телевизор въз основа на изследването на професор Марин Солячич относно безжичното предаване на енергия и безжичния домашен цифров интерфейс (WHDI).

Технология (ултразвуков метод)

Изобретението на студенти от Университета на Пенсилвания. За първи път инсталацията беше представена на широката публика на The All Things Digital (D9) през 2011 г. Както при други методи за безжично предаване на нещо, се използват приемник и предавател. Предавателят излъчва ултразвук, приемникът от своя страна преобразува чутото в електричество. По време на презентацията разстоянието на предаване достига 7-10 метра, изисква се директна видимост на приемника и предавателя. От известните характеристики - предаваното напрежение достига 8 волта, но получената сила на тока не се отчита. Използваните ултразвукови честоти нямат ефект върху хората. Също така няма данни за отрицателни ефекти върху животните.

Метод на електромагнитна индукция

Техниката за безжично предаване с електромагнитна индукция използва близко електромагнитно поле на разстояния от около една шеста от дължината на вълната. Самата енергия на близкото поле не е радиационна, но все пак има радиационни загуби. Освен това, като правило, има и резистивни загуби. Поради електродинамичната индукция, променлив електрически ток, протичащ през първичната намотка, създава променливо магнитно поле, което действа върху вторичната намотка, индуцирайки електрически ток в нея. За да се постигне висока ефективност, взаимодействието трябва да е достатъчно близко. Тъй като вторичната намотка се отдалечава от първичната, все повече и повече от магнитното поле не достига до вторичната намотка. Дори на относително къси разстояния, индуктивното свързване става изключително неефективно, губи голяма част от предаваната енергия.

Електрическият трансформатор е най-простото устройство за безжично предаване на енергия. Първичната и вторичната намотка на трансформатора не са свързани директно. Преносът на енергия се осъществява чрез процес, известен като взаимна индукция. Основната функция на трансформатора е да увеличава или намалява първичното напрежение. Безконтактни зарядни устройства за мобилни телефони и електрически четки за зъби са примери за използване на принципа на електродинамичната индукция. Индукционните готварски печки също използват този метод. Основният недостатък на метода за безжично предаване е неговият изключително кратък обхват. Приемникът трябва да е в непосредствена близост до предавателя, за да комуникира ефективно с него.

Използването на резонанс до известна степен увеличава обхвата на предаване. При резонансна индукция предавателят и приемникът са настроени на една и съща честота. Производителността може да се подобри още повече чрез промяна на формата на вълната на задвижващия ток от синусоидална към несинусоидална преходна вълна. Импулсният пренос на енергия се извършва в продължение на няколко цикъла. По този начин значителна мощност може да бъде прехвърлена между две взаимно настроени LC вериги с относително нисък коефициент на свързване. Предавателните и приемните бобини, като правило, са еднослойни соленоиди или плоска намотка с набор от кондензатори, които ви позволяват да настроите приемащия елемент към честотата на предавателя.

Често приложение на резонансната електродинамична индукция е зареждането на батерии в преносими устройства като преносими компютри и мобилни телефони, медицински импланти и електрически превозни средства. Техниката на локализирано зареждане използва избора на подходяща предавателна намотка в структура на многослойна намотка. Резонансът се използва както в подложката за безжично зареждане (предавателен контур), така и в модула на приемника (вграден в товара), за да се осигури максимална ефективност на пренос на мощност. Тази техника на предаване е подходяща за универсални подложки за безжично зареждане за зареждане на преносима електроника като мобилни телефони. Техниката е приета като част от стандарта за безжично зареждане Qi.

Резонансната електродинамична индукция се използва и за захранване на устройства без батерии като RFID етикети и безконтактни смарт карти, както и за прехвърляне на електрическа енергия от първичния индуктор към спиралния резонатор на трансформатора на Tesla, който също е безжичен предавател на електрическа енергия.

електростатична индукция

Променливият ток може да се предава през слоеве на атмосферата с атмосферно налягане по-малко от 135 mm Hg. Изкуство. Токът протича чрез електростатична индукция през долната атмосфера на около 2-3 мили над морското равнище и чрез йонен поток, тоест електрическа проводимост през йонизирана област, разположена на височина над 5 km. Интензивни вертикални лъчи на ултравиолетова радиация могат да се използват за йонизиране на атмосферните газове директно над двата издигнати терминала, което води до образуването на високоволтови плазмени електропроводи, водещи директно към проводимите слоеве на атмосферата. В резултат на това се образува поток от електрически ток между двата издигнати терминала, преминаващ към тропосферата, през нея и обратно към другия терминал. Електрическата проводимост през слоевете на атмосферата става възможна поради капацитивния плазмен разряд в йонизирана атмосфера.

Никола Тесла открива, че електричеството може да се предава както през земята, така и през атмосферата. В хода на своите изследвания той постига запалване на лампа на умерени разстояния и записва предаването на електричество на дълги разстояния. Кулата Wardenclyffe е замислена като търговски проект за трансатлантическа безжична телефония и се превърна в истинска демонстрация на възможността за безжично предаване на електроенергия в глобален мащаб. Инсталацията не беше завършена поради недостатъчно финансиране.

Земята е естествен проводник и образува една проводяща верига. Обратната линия се осъществява през горната тропосфера и долната стратосфера на височина от около 4,5 мили (7,2 км).

Глобална система за предаване на електричество без проводници, така наречената "Световна безжична система", базирана на високата електропроводимост на плазмата и високата електропроводимост на земята, беше предложена от Никола Тесла в началото на 1904 г. и можеше да причини Тунгуски метеорит, получен в резултат на "късо съединение" между заредена атмосфера и земята.

Световна безжична система

Ранните експерименти на известния сръбски изобретател Никола Тесла се отнасят до разпространението на обикновени радиовълни, тоест на Херциани вълни, електромагнитни вълни, разпространяващи се в космоса.

През 1919 г. Никола Тесла пише: „Предполага се, че съм започнал работа по безжичното предаване през 1893 г., но всъщност прекарах предишните две години в проучване и проектиране на апарати. От самото начало ми беше ясно, че успехът може да се постигне чрез поредица от радикални решения. Първо трябвало да бъдат създадени високочестотни генератори и електрически осцилатори. Тяхната енергия трябваше да се преобразува в ефективни предаватели и да се приема на разстояние от подходящи приемници. Такава система би била ефективна, ако се изключи всякаква външна намеса и се гарантира пълната й изключителност. С течение на времето обаче разбрах, че за да работят ефективно устройства от този вид, те трябва да бъдат проектирани, като се вземат предвид физическите свойства на нашата планета.

Едно от условията за създаване на световна безжична система е изграждането на резонансни приемници. Като такива могат да се използват заземен спирален резонатор на бобина на Tesla и издигнат терминал. Тесла лично многократно демонстрира безжичното предаване на електрическа енергия от предаващата към приемащата бобина на Тесла. Това става част от неговата безжична предавателна система (патент на САЩ № 1,119,732, апарат за предаване на електрическа мощност, 18 януари 1902 г.). Tesla предложи да инсталира повече от тридесет приемни и предавателни станции по целия свят. В тази система намотката за улавяне действа като понижаващ трансформатор с висок изходен ток. Параметрите на предавателната намотка са идентични с приемащата намотка.

Целта на Световната безжична система на Tesla беше да комбинира предаването на енергия с излъчване и насочена безжична комуникация, което би елиминирало многото високоволтови електропроводи и улеснявало взаимното свързване на съоръжения за производство на електроенергия в глобален мащаб.

Вижте също

енергиен лъч

Бележки

"Електричество на Колумбийското изложение", от Джон Патрик Барет. 1894, стр. 168-169
Експерименти с променливи токове с много висока честота и тяхното приложение към методи за изкуствено осветление, AIEE, Колумбийския колеж, Ню Йорк, 20 май 1891 г.
Експерименти с алтернативни токове с висок потенциал и висока честота, адрес на IEE, Лондон, февруари 1892 г.
За светлината и други високочестотни явления, Институт Франклин, Филаделфия, февруари 1893 г. и Националната асоциация за електрическа светлина, St. Луис, март 1893 г
Работата на Джагдиш Чандра Босе: 100 години изследвания на мм вълни
Джагадиш Чандра Босе
Никола Тесла за работата му с променливи токове и тяхното приложение в безжичната телеграфия, телефония и предаване на мощност, стр. 26-29. (Английски)
5 юни 1899 г., Никола Тесла Пролетни бележки в Колорадо 1899-1900, Нолит, 1978 (на английски)
Никола Тесла: Управляеми оръжия и компютърни технологии
Електротехникът(Лондон), 1904 г. (английски)
Сканиране на миналото: История на електротехниката от миналото, Хидецугу Яги
Проучване на елементите на предаване на мощност чрез микровълнов лъч, през 1961 г. IRE Int. конф. Рек., том 9, част 3, стр.93-105
IEEE Микровълнова теория и техники, забележителната кариера на Бил Браун
Сила от слънцето: неговото бъдеще, Наука, том. 162, стр. 957-961 (1968)
Патент за сателит за слънчева енергия
История на RFID
Инициатива за космическа слънчева енергия
Безжично предаване на енергия за сателит за слънчева енергия (SPS) (втора чернова от Н. Шинохара), семинар за космическа слънчева енергия, Технологичен институт на Джорджия
W. C. Brown: Историята на предаването на мощност чрез радиовълни: Микровълнова теория и техники, IEEE Transactions on September, 1984, v. 32 (9), стр. 1230-1242 (английски)
Безжичен пренос на мощност чрез силно свързани магнитни резонанси. Наука (7 юни 2007 г.). Архивирано,
Спечели нов метод за безжично предаване на електроенергия (рус.). MEMBRANA.RU (8 юни 2007 г.). Архивиран от оригинала на 29 февруари 2012 г. Извлечен на 6 септември 2010 г.
Технология Bombardier PRIMOVE
Intel си представя безжично захранване за вашия лаптоп
спецификацията на безжичното електричество е пред завършване
TX40 и CX40, Ex одобрени фенерче и зарядно устройство
Безжичният HDTV на Haier няма кабели, елегантен профил (видео) (на английски) ,
Безжичното електричество изуми своите създатели (руски). MEMBRANA.RU (16 февруари 2010 г.). Архивиран от оригинала на 26 февруари 2012 г. Извлечен на 6 септември 2010 г.
Ерик Гилер демонстрира безжично електричество | Видео на TED.com
„Никола Тесла и диаметърът на Земята: Обсъждане на един от многото начини на работа на кулата Уордънклиф“, K.L. Corum и J.F. Corum, Ph.D. 1996 г
William Beaty, Yahoo Wireless Energy Transmission Tech Group Message #787, препечатано в ТЕОРИЯ НА БЕЗЖИЧНОТО ПРЕДАВАНЕ.
Чакай, Джеймс Р., Древната и съвременната история на разпространението на земните вълни на ЕМ", Списание за антени и разпространение на IEEE, том 40, бр. 5 октомври 1998 г.
СИСТЕМА ЗА ПРЕДАВАНЕ НА ЕЛЕКТРИЧЕСКА ЕНЕРГИЯ, септ. 2, 1897, САЩ Патент № 645.576, март 20, 1900 г.

Тук трябва да кажа, че когато подадох заявленията от 2 септември 1897 г. за пренос на енергия, в които беше разкрит този метод, вече ми беше ясно, че не е необходимо да имам терминали на такава висока височина, но аз никога над подписа ми не е било обявено нещо, което не съм доказал първо. Това е причината, поради която нито едно мое твърдение не беше опровергано и не мисля, че ще бъде, защото винаги, когато публикувам нещо, го минавам първо чрез експеримент, после от експеримент изчислявам и когато имам среща теорията и практиката Обявявам резултатите.

По това време бях абсолютно сигурен, че бих могъл да създам търговски завод, ако не мога да правя нищо друго освен това, което бях направил в моята лаборатория на Хюстън Стрийт; но вече бях изчислил и открих, че не ми трябват големи височини, за да прилагам този метод. Патентът ми казва, че разграждам атмосферата "на или близо" до терминала. Ако моята проводяща атмосфера е на 2 или 3 мили над централата, смятам, че това е много близо до терминала в сравнение с разстоянието до моя приемен терминал, което може да е отвъд Тихия океан. Това е просто израз. . . .

Никола Тесла за работата му с променливи токове и тяхното приложение в безжичната телеграфия, телефония и предаване на мощност

Проблемът с преноса на енергия на разстояние все още не е решен. Въпреки че е поставен в началото на века. Първият, който успя да изпълни тази мечта, беше Никола Тесла: „Предаването на енергия без проводници не е теория и не е просто вероятност, както повечето хора мислят, а феномен, който експериментално демонстрирах в продължение на няколко години. Самата идея не ми дойде веднага и в резултат на продължително и постепенно развитие тя се превърна в логична последица от моето изследване, което беше убедително демонстрирано през 1893 г., когато за първи път представих на света схемата на моята безжична система предаване на енергия за различни цели.Моите експерименти с високочестотни токове бяха първите публично провеждани и предизвикаха най-голям интерес заради възможностите, които откриха, както и удивителния характер на самите явления.Малко специалисти, запознати с съвременните апарати ще оценят трудността на задачата, когато имах примитивни устройства на мое разположение.

През 1891 г. Никола Тесла проектира резонансен трансформатор (трансформатор на Тесла), който дава възможност за получаване на високочестотни колебания на напрежението с амплитуда до един милион волта и е първият, който посочи физиологичните ефекти на високочестотните токове . Постоянните вълни на електрическото поле, наблюдавани по време на гръмотевична буря, доведоха Тесла до идеята за възможността за създаване на система за осигуряване на електричество на консуматори, отдалечени от генератора, без използване на проводници. Първоначално бобината на Тесла се използва за предаване на енергия на дълги разстояния без проводници, но скоро тази идея избледнява на заден план, тъй като е почти невъзможно да се прехвърля енергия на разстояние по този начин, причината за това е ниската ефективност на Намотка на Тесла.

Трансформаторът на Тесла или бобината на Тесла е единственото от изобретенията на Никола Тесла, носещи неговото име днес. Това е класически резонансен трансформатор, произвеждащ високо напрежение при висока честота. Това устройство е използвано от учения в няколко размера и вариации за своите експерименти. Устройството е заявено с патент № 568176 от 22 септември 1896 г. като „Апарат за производство на електрически токове с висока честота и потенциал“.

Има 3 вида бобини на Tesla:

SGTC-spark gap Намотка на Тесла - намотка на Тесла върху искровия междинен елемент.
VTTC-вакуумна лампа Тесла бобина - Тесла намотка на радиотръба.
SSTC-solid state намотка на Tesla - намотка на Tesla върху по-сложни части.

Описание на конструкцията на трансформатора. В елементарната си форма той се състои от две намотки - първична и вторична, както и лента, състояща се от искрова междина (прекъсвач, често се среща английската версия на Spark Gap), кондензатор и терминал (показан като „изход ” в диаграмата). За разлика от много други трансформатори, тук няма феримагнитна сърцевина. По този начин взаимната индуктивност между двете намотки е много по-малка от конвенционалните трансформатори с феримагнитна сърцевина. Този трансформатор също практически няма магнитен хистерезис, феномена на забавяне на промяната в магнитната индукция спрямо промяната в тока и други недостатъци, въведени от наличието на феромагнит в полето на трансформатора. Първичната намотка, заедно с кондензатора, образува осцилаторна верига, която включва нелинеен елемент - искрова междина (искрова междина). Отводителят, в най-простия случай, е обикновен газов; обикновено са направени от масивни електроди.

Вторичната намотка също образува осцилаторна верига, където капацитивната връзка между тороида, терминалното устройство, завоите на самата намотка и други електропроводими елементи на веригата със Земята изпълнява ролята на кондензатор. Терминалното устройство (терминал) може да бъде направено под формата на диск, заточен щифт или сфера. Терминалът е проектиран да произвежда дълги, предвидими искри. Геометрията и относителното положение на частите на трансформатора на Tesla влияят силно върху неговата производителност, което е подобно на проблема при проектирането на всякакви високоволтови и високочестотни устройства.

Друго интересно устройство е генераторът на Ван де Грааф. Това е генератор на високо напрежение, чийто принцип се основава на наелектризирането на движеща се диелектрична лента. Първият генератор е разработен от американския физик Робърт Ван де Грааф през 1929 г. и прави възможно получаването на потенциална разлика до 80 киловолта. През 1931 и 1933 г. са построени по-мощни генератори, които правят възможно достигането на напрежение до 7 милиона волта. Генераторна верига на Ван де Грааф:

Голям кух метален електрод под формата на полусферичен купол е монтиран върху изолационна колона с високо напрежение. Горният край на конвейерната лента за електрически заряд влиза в кухината на електрода, която е безкраен гумен ремък на текстилна основа, опънат върху две метални шайби и обикновено се движи със скорост 20–40 m/s. Долната шайба, монтирана върху метална плоча, се върти от електрически двигател. Горната шайба е поставена под високоволтовия куполен електрод и е на пълно машинно напрежение. Там се намира и захранващата система на йонния източник и самият източник. Долният край на лентата минава покрай електрода, поддържан от конвенционален източник на високо напрежение под високо напрежение спрямо земята до 100 kV. В резултат на коронния разряд електроните от лентата се прехвърлят към електрода. Положителният заряд на лентата, повдигната от конвейера, се компенсира отгоре от електроните на купола, който получава положителен заряд. Максималният постижим потенциал е ограничен от изолационните свойства на колоната и въздуха около нея. Колкото по-голям е електродът, толкова по-висок потенциал може да издържи. Ако инсталацията е херметично затворена и вътрешността е изпълнена със сух компресиран газ, размерите на електрода за даден потенциал могат да бъдат намалени. Заредените частици се ускоряват в евакуирана тръба, разположена между високоволтовия електрод и "земята" или между електродите, ако са два от тях. С помощта на генератора на Van de Graaff може да се получи много висок потенциал, който позволява ускоряване на електрони, протони и деутрони до енергия от 10 MeV и алфа частици, носещи двоен заряд до 20 MeV. Енергията на заредените частици на изхода на генератора може лесно да се контролира с голяма прецизност, което прави възможни точни измервания. Токът на протонния лъч в постоянен режим е 50 μA, а в импулсен режим може да се увеличи до 5 mA.

Принципът на действие е ясно показан на прост занаятчийство, при който светодиодът може да свети безжично на разстояние 2 см от източника на енергия. Верига, която действа като усилващ преобразувател, както и безжичен предавател и приемник на мощност, може да бъде подобрена и приложена в много мозъчни проекти.

Стъпка 1: Трябва ни

NPN транзистор - използвах 2N3904, но можете да използвате всеки NPN транзистор (337, BC547 и т.н.), PNP транзистор също ще работи, само внимавайте за полярността на връзките.
намотка или изолиран проводник - около 3-4 метра (проводниците могат да бъдат "получени" от много устройства, трансформатори, високоговорители, двигатели, релета и др.)
1 kΩ резистор - ще се използва за защита на транзистора от изгаряне в случай на претоварване, можете да използвате и резистори до 5 kΩ, можете дори без резистор, но тогава батерията ще се разреди по-бързо.
LED - всеки ще направи, основното е да следвате схемата.
1.5V батерия - не използвайте батерии с по-високо напрежение, за да не повредите транзистора.
ножици или нож.
поялник (по избор).
запалка (опция) за премахване на изолация от проводници.

Стъпка 2: Гледайте видеото за процеса

Стъпка 3: Обобщаване на видеото

И така, навиваме намотка от 30 оборота върху цилиндричен обект, това ще бъде намотка А. След това навиваме втора намотка със същия диаметър, но в същото време първо навиваме 15 завоя и правим кран, а след това още един 15 оборота, това е намотка B. Фиксираме намотките от размотаване с всякакви по подходящ начин, например, просто правим възли от проводниците на бобината. Важен момент: за правилното функциониране на това занаятидиаметрите на двете намотки и броят на завоите трябва да са еднакви.

Почистваме изводите на двете намотки и пристъпваме към запояване на веригата. Решаваме емитера, базата и колектора на нашия транзистор и запояваме резистора към основата. Запояваме другия изход на резистора към свободния изход на намотка B, а не към изхода. Вторият свободен изход на намотка B, отново не кран, е запоен към колектора.

За удобство можете да запоите малко парче тел към емитера, така че ще бъде по-лесно да свържете батерията.

Схемата на приемника е лесна за сглобяване: запоете светодиода към клемите на бобината А. И мозъчен трикготов!

Стъпка 4: Схематична диаграма

Стъпка 5: Визуално рисуване

Стъпка 6: Тестване

За актьорски състав домашно приготвенив работно състояние свързваме кранчето на бобината B към „плюса“ на батерията, а „минуса“ към емитера на транзистора. След това привеждаме намотките успоредно една на друга и диодът свети!

Стъпка 7: Обяснение

Нека обясня малко как работи всичко.

предавател в нашия занаятчийствотова е осцилаторната верига. Може да сте чували за "кражбата на джаул", която е поразително подобна на нашата верига на предавателя. В „кражбата на джауловата верига“ електричеството от батерията 1,5 V се преобразува в по-високо напрежение, но импулсно. Светодиодът изисква 3V, но благодарение на "кражбата на джаул" той свети перфектно от 1,5V.

„Верига за кражба на джаул“ е известна като преобразувател и генератор, веригата, която създадохме, също е генератор и преобразувател. И енергията се подава към светодиода чрез индукцията, която възниква в намотките, което може да се обясни в пример за мозъкаконвенционален трансформатор.

Да предположим, че трансформаторът има две еднакви намотки. След това, по време на преминаването на електричество през една намотка, тя се превръща в магнит, втората намотка влиза в магнитното поле на първата и в резултат на това през нея също започва да тече ток. Ако напрежението в първата намотка е променливо, следователно тя импулсивно губи своите магнитни свойства, което означава, че втората намотка импулсивно навлиза в магнитното поле на първата, тоест във втората намотка се образува променливо напрежение.

В нашата домашно приготвенибобината на предавателя създава магнитно поле, в което приемната намотка е свързана към светодиода, който преобразува получената енергия в светлина!

Представено мозъчен трикпреобразува получената енергия в светлина, но може да се използва по по-разнообразни начини. Можете също да приложите принципите на това домашно приготвениза създаване на магически трикове, забавни подаръци или научни проекти. Ако променяте диаметрите и броя на завоите на намотките, тогава можете да постигнете максимални стойности, или можете да промените формата на намотките и т.н., възможностите не са ограничени!

Стъпка 9: Отстраняване на неизправности

При създаването на това домашно приготвенивъзможни са следните проблеми:
Транзисторът е твърде горещ - проверете стойността на резистора, може да се наложи да се увеличи. Първоначално не използвах резистор и транзисторът изгори в процеса. Или като алтернатива използвайте радиатор за транзистора, или може би друг транзистор с по-висока стойност на усилването.
Светодиодът не свети - може да има много причини. Проверете качеството на връзката, дали основата и колектора са запоени правилно, уверете се, че намотките са с еднакъв диаметър, ако има късо съединение във веригата.

Днешният експеримент с индукция приключи, благодаря за вниманието и успеха в работата!