Om man ska tro historien, frystes det revolutionerande tekniska projektet på grund av Teslas brist på adekvata ekonomiska möjligheter(det här problemet förföljde vetenskapsmannen nästan hela tiden han arbetade i Amerika). Generellt sett kom det största trycket på honom från en annan uppfinnare - Thomas Edison och hans företag, som främjade tekniken likström, medan Tesla arbetade med växelström (det så kallade "Strömkriget"). Historien har satt allt på sin plats: nu används växelström i stadens elnät nästan överallt, även om ekon från det förflutna fortsätter till denna dag (till exempel är en av de angivna orsakerna till haverier av de ökända Hyundai-tågen användningen av direkta nuvarande kraftledningar i vissa delar av den ukrainska järnvägen).
Wardenclyffe Tower, där Nikola Tesla genomförde sina experiment med elektricitet (foto från 1094)
När det gäller Wardenclyffe Tower, enligt legenden, visade Tesla för en av huvudinvesterarna J.P. Morgan, aktieägare i världens första vattenkraftverk i Niagara och kopparverk (koppar används som ni vet i ledningar), en fungerande installation för trådlös strömöverföring, vars kostnad för konsumenterna skulle vara (om sådana installationer byggdes i industriell skala) en storleksordning billigare för konsumenterna, efter varför han minskade finansieringen för projektet. Hur som helst, de började prata på allvar om trådlös kraftöverföring bara 90 år senare, 2007. Och även om det fortfarande är långt kvar tills kraftledningar helt försvinner från stadslandskapet, trevliga småsaker som trådlös laddning mobila enheter är tillgängliga nu.
Framstegen har smugit sig obemärkt
Om vi tittar igenom arkiven med IT-nyheter från minst två år sedan, så hittar vi i sådana samlingar endast sällsynta rapporter om att vissa företag utvecklar trådlöst laddare, och inte ett ord om färdiga produkter och lösningar (förutom grundläggande principer och allmänna system). Idag är trådlös laddning inte längre något superoriginal eller konceptuellt. Sådana enheter säljs med all kraft (till exempel visade LG sina laddare vid MWC 2013), testas för elfordon (Qualcomm gör detta) och används till och med på offentliga platser (till exempel på vissa europeiska järnvägsstationer ). Dessutom finns det redan flera standarder för sådan kraftöverföring och flera allianser främjar och utvecklar dem.
För trådlös laddning Mobil enheter liknande spolar svarar, varav den ena sitter i telefonen och den andra i själva laddaren
Den mest kända sådana standarden är Qi-standarden, utvecklad av Trådlös ström Konsortium, som inkluderar så välkända företag som HTC, Huawei, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, Samsung, Sony och ett hundratal andra organisationer. Detta konsortium organiserades 2008 med målet att skapa en universell laddare för enheter olika tillverkare och varumärken. Standarden använder i sitt arbete principen om magnetisk induktion, då basstationen består av en induktionsspole som skapar ett elektromagnetiskt fält när växelström tillförs från nätet. Enheten som laddas innehåller en liknande spole som reagerar på detta fält och kan omvandla energin som tas emot genom den till likström, som används för att ladda batteriet (du kan lära dig mer om funktionsprincipen på konsortiets webbplats http:/ /www.wirelesspowerconsortium.com/what -we-do/how-it-works/). Dessutom stöder Qi ett dataöverföringsprotokoll mellan laddare och laddningsenheter med en hastighet av 2 kbps, som används för att överföra data om den nödvändiga laddningsmängden och den nödvändiga driften.
Idag stöder många smartphones trådlös laddning med Qi-standarden, och laddare är universella för alla enheter som stöder denna standard.
Qi har också en seriös konkurrent - Power Matters Alliance, som inkluderar AT&T, Duracell, Starbucks, PowerKiss och Powermat Technologies. Dessa namn ligger långt ifrån i framkant inom informationsteknologins värld (särskilt Starbucks-kaffekedjan, som är i en allians eftersom man planerar att introducera denna teknik överallt i sina anläggningar) – de specialiserar sig specifikt på energifrågor. Denna allians bildades för inte så länge sedan, i mars 2012, som en del av ett av IEEE-programmen (Institute of Electrical and Electronics Engineers). PMA-standarden som de främjar fungerar enligt principen om ömsesidig induktion - ett särskilt exempel på elektromagnetisk induktion (som inte ska förväxlas med den magnetiska induktion som används av Qi), när strömmen i en av ledarna ändras eller när den relativa positionen för ledarna ändras, det magnetiska flödet genom kretsen av den andra förändras magnetfältet som genereras av strömmen i den första ledaren, vilket orsakar förekomsten elektromotorisk kraft i den andra ledaren och (om den andra ledaren är stängd) induktionsström. Precis som med Qi omvandlas denna ström sedan till likström och matas in i batteriet.
Nåväl, glöm inte Alliance for Wireless Power, som inkluderar Samsung, Qualcomm, Ever Win Industries, Gill Industries, Peiker Acustic, SK Telecom, SanDisk, etc. Denna organisation har ännu inte presenterat färdiga lösningar, men bland sina mål, inklusive utveckling av laddningar som skulle fungera genom icke-metalliska ytor och som inte skulle använda spolar.
Ett av målen för Alliance for Wireless Power är möjligheten att ladda utan att vara bunden till en specifik plats eller typ av yta.
Av allt ovanstående kan vi dra en enkel slutsats: om ett eller två år kommer de flesta moderna enheter att kunna laddas utan att använda traditionella laddare. För närvarande räcker den trådlösa laddningskraften till främst för smartphones, men sådana enheter kommer snart också att dyka upp för surfplattor och bärbara datorer (Apple patenterade nyligen trådlös laddning för iPad). Detta innebär att problemet med att ladda ur enheter kommer att lösas nästan helt - placera eller placera enheten på en viss plats, och även under drift laddas den (eller, beroende på ström, urladdar mycket långsammare). Med tiden råder det ingen tvekan om att deras aktionsområde kommer att utökas (nu är det nödvändigt att använda en speciell matta eller stativ som enheten ligger på, eller så måste den vara väldigt nära), och de kommer att installeras universellt i bilar, tåg och till och med, möjligen, flygplan.
Nåväl, ytterligare en slutsats - troligtvis kommer det inte att vara möjligt att undvika ytterligare ett formatkrig mellan olika standarder och allianserna som främjar dem.
Blir vi av med kablar?
Trådlös laddning av enheter är naturligtvis en bra sak. Men de befogenheter som uppstår med den är tillräckliga endast för de angivna syftena. Med hjälp av dessa tekniker är det fortfarande omöjligt att ens belysa ett hus, än mindre att driva ett stort hushållsprodukter. Ändå pågår experiment med högeffekts trådlös överföring av el och de baseras bland annat på Teslas material. Forskaren själv föreslog att man skulle installera över 30 mottagnings- och sändningsstationer runt om i världen (här avsågs troligen utvecklade länder vid den tiden, av vilka det fanns mycket färre än nu) som skulle kombinera energiöverföring med radiosändning och riktad trådlös kommunikation , vilket skulle göra det möjligt att bli av med många högspänningsledningar och underlätta konsolideringen av elproduktion på global skala.
Idag finns det flera metoder för att lösa problemet med trådlös energiöverföring, men alla gör det hittills möjligt att uppnå resultat som är obetydliga i globala termer; Vi pratar inte ens om kilometer. Metoder som ultraljuds-, laser- och elektromagnetisk överföring har betydande begränsningar (korta avstånd, behovet av direkt synlighet av sändande enheter, deras storlek, och i fallet med elektromagnetiska vågor, mycket låg effektivitet och hälsoskador från ett kraftfullt fält). Därför involverar den mest lovande utvecklingen användningen magnetiskt fält, eller snarare, resonansmagnetisk interaktion. En av dem är WiTricity, utvecklad av WiTricity-företaget, grundat av MIT-professorn Marin Soljacic och ett antal av hans kollegor.
Så 2007 lyckades de överföra en ström på 60 W över ett avstånd på 2 m. Det räckte för att tända en glödlampa, och effektiviteten var 40%. Men den obestridliga fördelen med den använda tekniken var att den praktiskt taget inte interagerar med levande varelser (fältstyrkan, enligt författarna, är 10 tusen gånger svagare än vad som råder i kärnan av en magnetisk resonanstomografiskanner) eller med medicinsk utrustning (pacemakers, etc.), och inte heller med annan strålning, vilket innebär att den inte kommer att störa till exempel driften av samma Wi-Fi.
Det som är mest intressant är Systemeffektivitet WiTricity påverkas inte bara av spolarnas storlek, geometri och konfiguration, såväl som avståndet mellan dem, utan också av antalet konsumenter, och på ett positivt sätt. Två mottagande enheter, placerad på ett avstånd av 1,6 till 2,7 m på båda sidor av den sändande "antennen", visade 10% bättre effektivitet än individuellt - detta löser problemet med att ansluta många enheter till en strömkälla.
Sedan upptäckten av elektricitet av människan har många forskare försökt studera det fantastiska fenomenet med strömmar och öka den effektiva effektiviteten, genomfört många experiment och uppfunnit mer moderna material med förbättrade egenskaper för energiöverföring med noll motstånd. Den mest lovande riktningen i sådant vetenskapligt arbete är trådlös överföring av el till stora avstånd och med minimala kostnader för transport. Den här artikeln diskuterar metoder för att överföra energi över ett avstånd, såväl som typer av enheter för sådana åtgärder.
Trådlös överföring energi är en transportmetod där inga ledare eller nätverk av kablar används och strömmen överförs över ett betydande avstånd till konsumenten med en maximal effektiv effektfaktor genom luften. För detta används enheter för att generera elektricitet, samt en sändare som samlar ström och avleder den i alla riktningar, samt en mottagare med en förbrukande enhet. Mottagaren plockar upp elektromagnetiska vågor och fält och, genom att koncentrera dem på en kort sektion av ledaren, överför energi till en lampa eller någon annan enhet med en viss effekt.
Det finns många metoder för trådlös överföring av el, som uppfanns av många forskare i färd med att studera strömmar, men Nikola Tesla uppnådde de bästa resultaten i praktiska termer. Han lyckades tillverka en sändare och mottagare som var åtskilda från varandra med ett avstånd på 48 kilometer. Men på den tiden fanns det ingen teknik som kunde överföra elektricitet över ett sådant avstånd med en koefficient över 50%. I detta avseende uttryckte forskaren stora utsikter inte för överföring av färdig genererad energi, utan för att generera ström från jordens magnetfält och använda den för husbehov. Transport av sådan el måste utföras trådlöst, genom överföring genom magnetfält.
Metoder för trådlös överföring av el
De flesta teoretiker och praktiker som studerar funktionen av elektrisk ström har föreslagit sina egna metoder för att överföra den över ett avstånd utan användning av ledare. I början av sådan forskning försökte många forskare att låna metoder från funktionsprincipen för radioapparater som används för att sända morsekod eller kortvågsradio. Men sådana tekniker motiverade inte sig själva, eftersom strömavledningen var för liten och inte kunde täcka långa sträckor, var transport av elektricitet via radiovågor endast möjligt när man arbetade med låg effekt, som inte kunde driva ens den enklaste mekanismen.
Som ett resultat av experiment avslöjades det att mikrovågor är de mest lämpade för att överföra elektricitet utan en tråd, eftersom de har en mer stabil konfiguration och spänning, och förlorar också mycket mindre energi när de försvinner än någon annan metod.
För första gången kunde uppfinnaren och designern William Brown framgångsrikt tillämpa denna metod, som modellerade en flygande plattform bestående av en metallplattform med en motor med en effekt på cirka 0,1 hästkrafter. Plattformen gjordes i form av en mottagningsantenn med ett rutnät som fångade mikrovågsvågor, som sändes ut av en specialdesignad generator. Bara fjorton år senare presenterade samma designer ett lågeffektflygplan som fick energi från en sändare på ett avstånd av 1,6 kilometer, strömmen sändes i en koncentrerad stråle via mikrovågsvågor. Tyvärr, utbredd detta arbete mottogs inte, eftersom det vid den tiden inte fanns några tekniker som kunde säkerställa transport av högspänningsström med denna metod, även om koefficienten användbar åtgärd mottagare och generator var lika med mer än 80%.
1968 utvecklade amerikanska forskare ett projekt, med stöd av vetenskapligt arbete, som föreslog placeringen av stora solpaneler i låg omloppsbana om jorden. Energimottagarna måste riktas mot solen och strömlagringsenheter var placerade vid deras bas. Efter att ha absorberat solstrålning och omvandlat den till mikrovågor eller magnetiska vågor, riktades strömmen till marken genom en speciell anordning. Mottagning måste utföras av en speciell storareaantenn, inställd på en specifik våg och omvandla vågorna till lik- eller växelström. Ett sådant system har i många länder ansetts högt som ett lovande alternativ till moderna elkällor.
Att driva en elbil trådlöst
Många tillverkare av bilar som körs på elektrisk ström utvecklar alternativ laddning av bilen utan att ansluta den till nätverket. Stor framgång på detta område har uppnåtts genom tekniken för att ladda fordon från en speciell vägyta, när bilen fick energi från en beläggning laddad med ett magnetfält eller mikrovågsvågor. Men sådan påfyllning var endast möjlig om avståndet mellan vägen och mottagningsenheten inte var mer än 15 centimeter, vilket inte alltid är möjligt under moderna förhållanden.
Detta system är på utvecklingsstadiet, så det kan antas att denna typ av kraftöverföring utan ledare fortfarande kommer att utvecklas och eventuellt kommer att introduceras i den moderna transportindustrin.
Modern utveckling inom energiöverföring
I moderna verkligheter blir trådlös el återigen ett relevant område i studier och design av enheter. Det finns de mest lovande sätten att utveckla trådlös energiöverföring, som inkluderar:
- Användning av elektricitet i bergsområden, i de fall det inte är möjligt att dra bärkablar till konsumenten. Trots studiet av frågan om elektricitet finns det platser på jorden där det inte finns någon elektricitet, och människorna som bor där kan inte njuta av en sådan fördel av civilisationen. Självklart används ofta autonoma kraftkällor där, som solpaneler eller generatorer, men denna resurs begränsad och inte kan tillgodose behoven fullt ut;
- Vissa tillverkare av moderna hushållsapparater introducerar redan enheter för trådlös energiöverföring i sina produkter. Till exempel erbjuder marknaden specialblock, som ansluter till nätströmförsörjning och genom att omvandla likström till mikrovågor, överför dem till omgivande enheter. Det enda villkoret för att använda denna enhet är att hushållsapparaten har en mottagningsenhet som omvandlar dessa vågor till likström. Det finns TV-apparater till försäljning som helt och hållet fungerar från trådlös energi som tas emot från en sändare;
- För militära ändamål, i de flesta fall inom försvarssektorn, sker utvecklingen av kommunikationsanordningar och andra hjälpanordningar.
Ett stort genombrott inom detta teknikområde inträffade 2014, när en grupp forskare utvecklade en enhet för att generera och ta emot energi över ett avstånd trådlöst, med hjälp av ett system av linser placerade mellan sändnings- och mottagningsspolarna. Tidigare trodde man att överföring av ström utan ledare är möjlig över ett avstånd som inte överstiger storleken på enheterna, därför att transportera elektricitet med lång distans det krävdes en enorm struktur. Men moderna designers har ändrat driftprincipen för denna enhet och skapat en sändare som inte skickar mikrovågor, utan magnetfält med låga frekvenser. Elektroner i I detta fall förlorar inte ström och sänds över ett avstånd i en koncentrerad stråle. Dessutom är energiförbrukningen möjlig inte bara genom att ansluta till den mottagande delen, utan också genom att vara i fältet.
För din information. Den första enheten som kommer att ta emot trådlös energi, planerar teknologer att göra en mobiltelefon eller Surfplatta, utveckling av ett sådant system pågår redan.
De mest lovande riktningarna
Trådlös el ständigt studeras av många fysiker, övervägs de mest lovande riktningarna inom detta område, som inkluderar:
- Laddar mobila enheter utan att ansluta till en kabel;
- Kraftförsörjning till obemannade flygfarkoster är ett område som kommer att vara mycket efterfrågat inom både den civila och militära industrin, eftersom liknande enheter På senare tid har de blivit flitigt använda för olika ändamål.
Själva proceduren att överföra data över ett avstånd utan användning av sladdar ansågs vara ett genombrott inom fysik- och energiforskningen för en tid sedan, nu förvånar detta ingen längre och har blivit tillgängligt för vem som helst. Tack vare modern utveckling teknik och utveckling, håller transporten av elektricitet med denna metod på att bli verklighet och kan mycket väl väckas till liv.
Video
Trådlös överföring för leverans av el har förmågan att leverera stora framsteg inom industrier och applikationer som är beroende av kontaktens fysiska kontakt. Detta kan i sin tur vara opålitligt och leda till misslyckande. Trådlös kraftöverföring demonstrerades först av Nikola Tesla på 1890-talet. Det är dock först under det senaste decenniet som tekniken har utnyttjats till den punkt där den erbjuder verkliga, påtagliga fördelar för verkliga tillämpningar. I synnerhet utvecklingen av ett trådlöst resonanskraftsystem för marknaden hemelektronik visade att induktiv laddning ger nya nivåer av bekvämlighet för miljontals vardagliga enheter.
Kraften i fråga är allmänt känd under många termer. Inklusive induktiv transmission, koppling, resonans trådlöst nätverk och samma spänningsretur. Var och en av dessa tillstånd beskriver i huvudsak samma grundläggande process. Trådlös överföring av el eller kraft från strömkällan till lastspänningen utan kontakter genom ett luftgap. Grunden är två spolar - en sändare och en mottagare. Den första exciteras av en växelström för att generera ett magnetfält, som i sin tur inducerar en spänning i den andra.
Hur fungerar det aktuella systemet?
Grunderna för trådlös kraft innebär att distribuera energi från en sändare till en mottagare genom ett oscillerande magnetfält. För att uppnå detta omvandlas likströmmen från nätaggregatet till högfrekvent växelström. Använder specialdesignad elektronik inbyggd i sändaren. Växelströmmen aktiverar en spole av koppartråd i dispensern, som genererar ett magnetfält. När den andra (mottagande) lindningen är placerad i omedelbar närhet. Magnetfältet kan inducera en växelström i mottagningsspolen. Elektroniken i den första enheten omvandlar sedan växelströmmen tillbaka till likström, som blir strömingången.
Trådlös kraftöverföringskrets
Nätspänningen omvandlas till en AC-signal, som sedan skickas till sändarspolen genom elektrisk krets. Att strömma genom fördelarlindningen inducerar ett magnetfält. Detta kan i sin tur spridas till mottagarspolen, som ligger i relativ närhet. Magnetfältet genererar då en ström som flyter genom mottagarlindningen. Processen genom vilken energi fortplantas mellan sändnings- och mottagningsspolarna kallas också för magnetisk eller resonanskoppling. Och detta uppnås genom att båda lindningarna arbetar med samma frekvens. Strömmen som flyter i mottagarspolen omvandlas till likström av mottagarkretsen. Den kan sedan användas för att driva enheten.
Vad betyder resonans?
Avståndet över vilket energi (eller effekt) kan överföras ökar om sändar- och mottagarspolarna resonerar med samma frekvens. Precis som en stämgaffel svänger på en viss höjd och kan nå en maximal amplitud. Detta hänvisar till den frekvens med vilken ett föremål naturligt vibrerar.
Fördelar med trådlös överföring
Vad är fördelarna? Fördelar:
- Minskar kostnaderna för att underhålla raka kopplingar (som i en traditionell industriell släpring);
- större bekvämlighet för laddning av vanliga elektroniska enheter;
- säker överföring till applikationer som måste förbli hermetiskt förseglade;
- elektronik kan döljas helt, vilket minskar risken för korrosion från element som syre och vatten;
- Pålitlig och konsekvent kraftleverans till roterande, mycket mobil industriutrustning;
- säkerställer tillförlitlig kraftöverföring i kritiska fall viktiga system i våta, smutsiga och rörliga miljöer.
Oavsett tillämpning, likvidation fysisk anslutning ger ett antal fördelar jämfört med traditionella kabelströmkontakter.
Effektiviteten av energiöverföringen i fråga
Den totala effektiviteten hos ett trådlöst kraftsystem är den viktigaste faktorn för att bestämma dess prestanda. Systemeffektivitet mäter mängden ström som överförs mellan strömkällan (d.v.s. vägguttaget) och den mottagande enheten. Detta bestämmer i sin tur aspekter som laddningshastighet och utbredningsområde.
Trådlösa kommunikationssystem varierar beroende på deras effektivitet baserat på faktorer som spolkonfiguration och design, överföringsavstånd. En mindre effektiv enhet kommer att generera mer utsläpp och resultera i att mindre effekt passerar genom den mottagande enheten. Vanligtvis kan trådlös kraftöverföringsteknik för enheter som smartphones uppnå 70 % prestanda.
Hur mäts effektivitet?
I den meningen, som mängden effekt (i procent) som överförs från strömkällan till den mottagande enheten. Det vill säga trådlös kraftöverföring för en smartphone med en verkningsgrad på 80 % innebär att 20 % av ingångseffekten går förlorad mellan vägguttaget och batteriet för den pryl som laddas. Formeln för att mäta drifteffektiviteten är: produktivitet = utgående likström, dividerat med inkommande, det erhållna resultatet multiplicerat med 100 %.
Trådlösa metoder för att överföra el
Ström kan spridas genom nätverket i fråga över nästan alla icke-metalliska material, inklusive men inte begränsat till. Dessa inkluderar fasta ämnen som trä, plast, textilier, glas och tegel samt gaser och vätskor. När metalliskt eller elektriskt ledande material (det vill säga placeras i omedelbar närhet av elektromagnetiskt fält, objektet absorberar kraft från det och värms upp som ett resultat. Detta påverkar i sin tur systemets effektivitet. Så fungerar induktionsmatlagning, till exempel skapar den ineffektiva kraftöverföringen från spishällen värme för matlagning.
För att skapa ett trådlöst kraftöverföringssystem är det nödvändigt att återvända till ursprunget för det aktuella ämnet. Eller, mer exakt, till den framgångsrika vetenskapsmannen och uppfinnaren Nikola Tesla, som skapade och patenterade en generator som kan ta makten utan olika materialistiska ledare. Så för att implementera ett trådlöst system är det nödvändigt att montera alla viktiga element och delar, som ett resultat kommer en liten enhet att implementeras som skapar ett elektriskt högspänningsfält i luften runt den. Samtidigt finns det en liten ineffekt, den ger trådlös energiöverföring över avstånd.
En av de viktigaste metoderna för energiöverföring är induktiv koppling. Det används främst för närfält. Det kännetecknas av det faktum att när ström passerar genom en tråd induceras en spänning i ändarna av den andra. Kraftöverföring sker genom ömsesidighet mellan de två materialen. Allmänt exempel- det här är en transformator. Mikrovågsenergiöverföring som en idé utvecklades av William Brown. Hela konceptet går ut på att konvertera växelström till RF-kraft och sända den genom rymden och tillbaka in i variabel effekt på mottagaren. I detta system genereras spänning med hjälp av mikrovågsenergikällor. Som klystronen. Och denna kraft överförs genom en vågledare, som skyddar mot reflekterad kraft. Och även en tuner som matchar impedansen för mikrovågskällan med andra element. Mottagningssektionen består av en antenn. Den accepterar mikrovågseffekt och en impedans- och filtermatchningskrets. Denna mottagningsantenn kan tillsammans med likriktaranordningen vara en dipol. Motsvarar en utsignal med liknande ljudavisering likriktarblock. Mottagarblocket består också av en liknande sektion bestående av dioder, som används för att omvandla signalen till ett DC-larm. Detta överföringssystem använder frekvenser i området från 2 GHz till 6 GHz.
Trådlös överföring av elektricitet med hjälp av en generator som använder liknande magnetiska oscillationer. Summan av kardemumman är att den här enheten fungerade tack vare tre transistorer.
Att använda en laserstråle för att överföra kraft i form av ljusenergi, som omvandlas till elektrisk energi i den mottagande änden. Materialet i sig får ström med hjälp av källor som solen eller någon elgenerator. Och följaktligen realiserar den fokuserat ljus med hög intensitet. Strålens storlek och form bestäms av optikuppsättningen. Och detta transmitterade laserljus tas emot av fotovoltaiska celler, som omvandlar det till elektriska signaler. Han brukar använda fiberoptiska kablar för överföring. Samma som grundläggande solenergi energisystem, mottagaren som används vid laserbaserad spridning är en rad solceller eller solpanel. Dessa kan i sin tur omvandla vandring till elektricitet.
Enhetens väsentliga egenskaper
Kraften hos en Tesla-spole kommer från en process som kallas elektromagnetisk induktion. Det vill säga ett föränderligt fält skapar potential. Det får ström att flyta. När elektricitet strömmar genom en trådspole genererar den ett magnetfält som fyller ut området runt spolen på ett visst sätt. Till skillnad från vissa andra högspänningsexperiment klarade Tesla-spolen många tester och försök. Processen var ganska arbetskrävande och tidskrävande, men resultatet var framgångsrikt och patenterades därför framgångsrikt av vetenskapsmannen. Du kan skapa en sådan spole om du har vissa komponenter. För implementering behöver du följande material:
- längd 30 cm PVC (ju längre desto bättre);
- emaljerad koppartråd (sekundär tråd);
- björkskiva för basen;
- 2222A transistor;
- anslutning (primär) tråd;
- motstånd 22 kOhm;
- strömbrytare och anslutningsledningar;
- batteri 9 volt.
Stadier av implementering av Tesla-enheten
Först måste du placera en liten öppning i övre del rör för att vira ena änden av tråden runt. Linda spolen långsamt och försiktigt, var noga med att inte överlappa ledningarna eller skapa luckor. Det här steget är den svåraste och tråkigaste delen, men tiden som spenderas kommer att ge en rulle av mycket hög kvalitet och bra. Vart 20:e varv placeras ringar av maskeringstejp runt lindningen. De fungerar som en barriär. Om spolen börjar rivas upp. När du är klar, linda lite tung tejp runt toppen och botten av omslaget och spraya det med 2 eller 3 lager emalj.
Sedan måste du ansluta det primära och sekundära batteriet till batteriet. Slå sedan på transistorn och motståndet. Den mindre lindningen är den primära lindningen och den längre lindningen är den sekundära lindningen. Du kan dessutom installera en aluminiumsfär ovanpå röret. Anslut också den öppna änden av sekundären till den tillagda, som kommer att fungera som en antenn. Allt måste byggas med stor omsorg för att undvika att röra den sekundära enheten när den slås på.
Vid fristående användning finns det risk för brand. Du måste vända omkopplaren, installera en glödlampa bredvid trådlös enhetöverför energi och njut av ljusshowen.
Trådlös överföring via solenergisystem
Traditionella kabelanslutna enerkräver vanligtvis ledningar mellan distribuerade enheter och konsumentenheter. Detta skapar många begränsningar såsom kostnaden för systemkabelkostnader. Förluster vid överföring. Och även avfall i distributionen. Enbart transmissionsledningsmotståndet resulterar i en förlust på cirka 20-30 % av den genererade energin.
Ett av de modernaste trådlösa kraftöverföringssystemen är baserat på överföring solenergi använda en mikrovågsugn eller en laserstråle. Satelliten är placerad på geostationär bana och består av solceller. De omvandlar solljus till elektricitet, som används för att driva en mikrovågsgenerator. Och följaktligen inser den kraften hos mikrovågor. Denna spänning sänds med hjälp av radiokommunikation och tas emot vid basstationen. Det är en kombination av en antenn och en likriktare. Och omvandlas tillbaka till el. Kräver växelström eller likström. Satelliten kan sända upp till 10 MW radiofrekvenseffekt.
Om vi talar om ett DC-distributionssystem är även detta omöjligt. Eftersom detta kräver en kontakt mellan strömförsörjningen och enheten. Det finns en bild: ett system helt utan ledningar, där du kan få växelström i hemmen utan några ytterligare enheter. Där det går att ladda sin mobiltelefon utan att fysiskt behöva ansluta till ett uttag. Naturligtvis är ett sådant system möjligt. Och många moderna forskare försöker skapa något moderniserat, samtidigt som de studerar rollen av att utveckla nya metoder för att trådlöst överföra elektricitet över avstånd. Även om det ur den ekonomiska komponentens synvinkel inte kommer att vara helt lönsamt för staterna om sådana anordningar införs överallt och standardel ersätts med naturlig el.
Ursprung och exempel på trådlösa system
Detta koncept är faktiskt inte nytt. Hela denna idé utvecklades av Nicholas Tesla 1893. När han utvecklade ett system för att belysa vakuumrör med hjälp av trådlös överföringsteknik. Det är omöjligt att föreställa sig att världen skulle existera utan olika laddningskällor, som uttrycks i materiell form. För att göra det möjligt för mobiltelefoner, hemrobotar, MP3-spelare, datorer, bärbara datorer och andra transportabla prylar att ladda självständigt, utan någon ytterligare anslutningar, befria användare från konstanta ledningar. Vissa av dessa enheter kräver kanske inte ens många element. Historien om trådlös energiöverföring är ganska rik, främst tack vare utvecklingen av Tesla, Volta och andra. Men idag är detta bara data inom fysisk vetenskap.
Grundprincipen är att omvandla växelström till likspänning med hjälp av likriktare och filter. Och sedan - att återvända till ursprungligt värde vid hög frekvens med växelriktare. Denna lågspänning, högt fluktuerande växelström överförs sedan från den primära transformatorn till den sekundära. Konverterar till DC-spänning med hjälp av likriktare, filter och regulator. AC-signalen blir direkt på grund av ljudet från strömmen. Och även användningen av brolikriktardelen. Den resulterande DC-signalen passerar genom en återkopplingslindning, som fungerar som en oscillatorkrets. Samtidigt tvingar den transistorn att leda den in i primäromvandlaren i riktning från vänster till höger. När ström passerar genom återkopplingslindningen flyter en motsvarande ström till transformatorns primära riktning i riktning från höger till vänster.
Så här fungerar ultraljudsmetoden för energiöverföring. Signalen genereras genom den primära omvandlaren för båda halvcyklerna av AC-larmet. Ljudfrekvensen beror på de kvantitativa indikatorerna för generatorkretsarnas svängningar. Denna AC-signal visas på transformatorns sekundärlindning. Och när den är ansluten till ett annat objekts primära omvandlare är växelspänningen 25 kHz. En avläsning visas genom den i nedtrappningstransformatorn.
Denna AC-spänning utjämnas med hjälp av en brygglikriktare. Och sedan filtreras och regleras för att producera en 5V-utgång för att driva lysdioden. Utspänning 12V från kondensatorn används för att driva DC-fläktmotorn för att driva den. Så ur fysikens synvinkel är elöverföring ett ganska utvecklat område. Men som praxis visar, trådlösa system inte fullt utvecklad och förbättrad.
När jag regelbundet tittade igenom utländska prestationer inom radioteknik, kom jag över en bra enhet för trådlös kraftöverföring, gjord inte på några knappa mikrokretsar, men ganska tillgänglig för självmontering. Fullständig dokumentation på engelska kan laddas ner från länken, och här kommer jag att tillhandahålla sammanfattning på ryska, inklusive några kretslösningar.
Aktuella transceiverspolar
Signaloscillogram
Verket presenterar flera liknande kretsscheman, som endast skiljer sig åt i spänning och effekt. De använder små spolar av tjock tråd som en energi "antenn" transistorerna är vanliga kraftfulla fälteffekt sådana, så du kan montera allt detta själv.
Låt oss varna dig direkt - här talar vi inte om att överföra energi över många meter. Sådana enheter är mer lämpliga för andra liknande enheter, där avståndet är flera centimeter. Men kraften som "flyger" genom luften når upp till 100 watt!
Funktionsprincip
En resonansomvandlare arbetar vanligtvis med en konstant driftfrekvens, som bestäms av LC-kretsens resonansfrekvens. När väl likspänning appliceras på kretsen börjar den generera med hjälp av transistorer. En sorts multivibrator, med en fasförskjutning på 180°. Transistorer kopplar växelvis ändarna av en parallell resonanskrets till massan, vilket gör att denna krets periodiskt laddas med energi och sedan strålar ut den i rymden.
Praktiska scheman
Grundschema
Foto av den färdiga energisändaren-mottagaren
För att sammanfatta, noterar vi att trådlös kraftöverföring i allt högre grad implementeras inom området hemelektronik, industriell, militär och medicinsk utrustning. Som trådlöst LAN och Bluetooth, båda trådlös ström blir ett relevant alternativ. Detta gör att du kan bli av med opålitliga knappar, kablar och strömkontakter. Ett annat användningsområde avser transformatorer, som måste uppfylla speciella krav såsom förstärkt eller dubbel isolering. Och viktigast av allt: elsäkerhet! Många lågeffektnätverk Vitvaror kan strömförsörjas inte via 220 V-kablar, stickproppar och uttag, utan med en beröringsfri metod - helt enkelt genom att flytta dem till önskad yta.
Immateriellt drivna hushållsapparater befriade från elektriska kablar, det här är inte första gången som har upphetsat uppfinnarnas sinnen. Men nu har experter kommit till punkten att lära kommersiella dammsugare, golvlampor, tv-apparater, bilar, implantat, mobila robotar och bärbara datorer att effektivt och säkert ta emot ström från en trådlös källa.
Nyligen tog ett team av forskare från Massachusetts Institute of Technology (MIT), ledd av Marin Soljačic, ytterligare ett steg mot att förvandla trådlös elteknik från ett laboratorie-"trick" till en replikerbar teknik. Helt oväntat upptäckte de en effekt som gör att de kan öka överföringseffektiviteten. Men innan vi pratar om det nya experimentet är det värt att göra en utvikning.
I detta fall används ett nära magnetiskt fält som en energibärare, som svänger med hög frekvens flera megahertz. För överföring behövs två magnetspolar, inställda på samma resonansfrekvens. Forskare jämför överföringen av energi mellan dem med förstörelsen av ett resonerande glasglas när det "hör" ett ljud med en strikt definierad frekvens.
Idealiserade (i denna figur) magnetspolar ( gul), omgivna av sina fält (röda och blå), överför energi till varandra på ett avstånd D, många gånger större än storleken på själva spolarna. Detta är vad forskare kallar resonant magnetisk koppling (eller koppling) - Resonant Magnetic Coupling (illustration av WiTricity).
Som ett resultat av spolarnas interaktion erhålls vad som har kallats "Wireless Electricity" (WiTricity). Förresten, det här ordet är - varumärke, som tillhör bolaget med samma namn, grundat av Soljachich och ett antal av hans kollegor från MIT. Bolaget uppger det denna term endast tillämplig på dess teknologi och på produkter som skapats på grundval av den. Vi ber dig att inte använda "whitecity" som synonym för trådlös energiöverföring i allmänhet.
Uppfinnarna ber också att inte förväxla WiTricity med överföring av energi via elektromagnetiska vågor: de säger att den nya metoden är "icke-strålande."
Och några fler viktiga "inte" indikerade av skaparna. WiTricity är inte en analog till en transformator med lindningar åtskilda med flera meter (den senare i det här fallet slutar fungera). Detta är inte en förbättrad el Tandborste: även om den kan laddas utan elektrisk kontakt, kräver den fortfarande placering i en "dockningsstation" för att föra de sändande och mottagande induktiva spolarna närmare ett avstånd på en millimeter. "Whitecity" är inte en mikrovågsugn som kan steka ett levande föremål, eftersom det pulserande magnetfältet som fungerar i WiTricity-systemet inte påverkar en person. Slutligen är "Wireless Electricity" inte ens Teslas "mystiska och fruktansvärda" Wardenclyffe Tower, med vilket den store uppfinnaren tänkte demonstrera överföringen av energi över långa avstånd.
Det första experimentet med trådlös energiöverföring med WiTricity-metoden till en 60-watts glödlampa, mer än två meter från källan, utfördes av Marin och hans kollegor 2007. Verkningsgraden var låg - cirka 40%, men redan då pekade uppfinnarna på en påtaglig fördel med den nya produkten - säkerhet.
Fältet som används i systemet är 10 tusen gånger svagare än vad som råder i kärnan avn. Så varken levande organismer, medicinska implantat, pacemakers och annan känslig utrustning av detta slag, eller konsumentelektronik kan känna effekten av detta område.
WiTricitys huvudförfattare: Marin Soljacic (till vänster), Aristeidis Karalis och John Joannopoulos. Till höger: kretsschema WiTricity. Sändningsspolen (vänster) är ansluten till uttaget. Reception - kopplad till konsumenten. Magnetfältslinjerna i den första spolen (blå färg) kan böja sig runt relativt små ledande hinder (och de märker inte trä, tyg, glas, betong eller en person alls), och överför framgångsrikt energi (gula linjer) till mottagningsring (foto MIT / Donna Coveney, illustration WiTricity).
Nu har Soljachich och hans medarbetare upptäckt att WiTricity-systemets effektivitet inte bara påverkas av storleken, geometrin och inställningen av spolarna, såväl som avståndet mellan dem, utan också av antalet konsumenter. Paradoxalt vid första anblicken visade dock två mottagningsenheter placerade på ett avstånd av 1,6 till 2,7 meter på vardera sidan av den sändande "antennen" 10 % bättre effektivitet än om kommunikation endast utfördes mellan en källa och konsument, vilket var fallet i tidigare experiment.
Dessutom observerades förbättringen oberoende av effektiviteten för sändare-mottagarparen separat. Forskare har föreslagit att med ytterligare tillskott av nya konsumenter kommer effektiviteten att öka ytterligare, även om det ännu inte är helt klart hur mycket. (Detaljer om experimentet avslöjas i Applied Physics Letters.)
Sändningsspolen i det nya experimentet hade en area på 1 kvadratmeter, och mottagningsrummen är endast 0,07 m 2 vardera. Och detta är också intressant: "mottagarnas" skrymmande i tidigare experiment ifrågasatte utrustningstillverkarnas önskan att utrusta sin utrustning med sådana system - du skulle knappast vilja ha en självladdande bärbar dator, vars WiTricity-enhet är jämförbar i storlek till själva datorn.
Vänster: 1 – särskild ordning omvandlar vanlig växelström till hög frekvens, den driver en sändningsspole som skapar ett oscillerande magnetfält. 2 – mottagningsspolen i konsumentenheten måste vara inställd på samma frekvens. 3 – Resonansförbindelsen mellan spolarna omvandlar magnetfältet tillbaka till elektrisk ström, som driver glödlampan.
Höger: Enligt författarna till systemet kan en spole i taket leverera energi till alla apparater och enheter i rummet – från flera lampor och en TV till en bärbar dator och DVD-spelare (illustration av WiTricity).
Men det viktigaste är effekten av att förbättra den totala effektiviteten när samtidigt arbete med flera konsumenter betyder grönt ljus för Soljačićs blå dröm - ett hus fyllt med en mängd olika apparater som får ström från osynliga "icke-emitterande strålare" gömda i rummens tak eller väggar.
Eller kanske inte bara i rummen, utan även i garaget? Självklart kan du ladda en elbil på vanligt sätt. Men det fina med WiTricity är att du inte behöver ansluta något någonstans eller ens komma ihåg det - teoretiskt sett kan själva bilen läras vid ankomsten till garaget (eller företagets parkeringsplats) att skicka en "förfrågan" till systemet och ladda batteriet från en magnetspole placerad i golvet.
Förresten, i vissa experiment ökade WiTricity-specialister överföringseffekten till tre kilowatt (och kom ihåg, de började med en 60-watts glödlampa). Effektiviteten varierar beroende på en hel uppsättning parametrar, men enligt företaget kan den med tillräckligt täta spolar överstiga 95%.
Det är inte svårt att gissa att en lovande metod för att överföra el över flera meter utan ledningar och behovet av att rikta någon form av "kraftstrålar" borde vara av intresse för ett brett spektrum av företag. Vissa arbetar redan i den här riktningen på egen hand.
Till exempel, med utgångspunkt från principerna som underbyggts och testats av Soljachich och hans kollegor, utvecklar Intel nu sin modifiering av resonanskraftöverföring - Wireless Resonant Energy Link (WREL). Redan 2008 uppnådde företaget lysande resultat inom detta område, och demonstrerade "magnetisk" strömöverföring med en verkningsgrad på 75 %.
En av de erfarna Intel installationer WREL, som trådlöst överför ström (tillsammans med en ljudsignal) från en MP3-spelare till en liten högtalare (foto från gizmodo.com).
Sony genomför nu sina egna experiment och reproducerar experiment från fysiker från Massachusetts Institute of Technology.
Soljačić är dock säker på att hans innovation inte kommer att gå förlorad bland produkterna från hans medkonkurrenter. När allt kommer omkring var det pionjärerna inom tekniken som gjorde det bästa av den och är redo för dess djupgående studier och förbättringar. Att till exempel sätta upp ens ett par spolar är inte så enkelt som det verkar vid en ytlig blick. Forskaren genomförde experiment i laboratoriet flera år i rad innan han byggde ett system som verkligen fungerar tillförlitligt.
Demoprov av LCD-skärmsmottagning strömförsörjning genom den första prototypen av WiTricity-hushållssatsen. Sändningsspolen ligger på golvet, mottagningsspolen ligger på bordet (foto WiTricity).
"Wireless Electricity", enligt dess författare, var ursprungligen tänkt att vara en OEM-produkt. Därför kan vi i framtiden förvänta oss utseendet av denna teknik i produkter från andra företag.
Och en provballong mot potentiella konsumenter har redan lanserats. I januari vid CES 2010 i Las Vegas visade det kinesiska företaget Haier upp världens första helt trådlösa HDTV. Inte bara videosignalen från spelaren överfördes till dess skärm via luften (för vilken standarden Wireless Home Digital Interface, som officiellt föddes bara en månad tidigare, användes), utan också strömförsörjningen. Det senare tillhandahölls just av WiTricity-teknik.
Soljachichs företag förhandlar också med möbeltillverkare om att installera spolar i bord och skåpväggar. Det första tillkännagivandet av en serieprodukt från en WiTricity-partner väntas i slutet av 2010.
I allmänhet förutspår experter framväxten av riktiga bästsäljare på marknaden - nya produkter med en inbyggd WiTricity-mottagare. Dessutom kan ingen ännu med tillförsikt säga vilken typ av saker det kommer att vara.
Haier Companyär en av världens största tillverkare av hemelektronik. Det är inte förvånande att dess ingenjörer blev intresserade av möjligheten att ansluta Nyaste teknikerna trådlös överföring av en HDTV-signal och trådlös strömförsörjning och lyckades till och med vara den första att visa en sådan enhet i aktion (photos engadget.com, gizmodo.com).
Intressant nog började historien om WiTricity för flera år sedan med en serie olyckliga uppvaknanden för Marin. Flera gånger under en månad väcktes han av ljudet av en död telefon som bad honom att "äta". En vetenskapsman som glömde att koppla sin mobiltelefon till uttaget i tid blev förvånad: är det inte roligt att telefonen ligger några meter från elektriska nätverk, men kan inte ta emot denna energi. Efter att ha vaknat igen vid tretiden på morgonen tänkte Soljachich: det vore jättebra om telefonen kunde sköta sin laddning själv.
Observera att vi inte direkt talar om en ny version av "mattor" för laddning av fickenheter. Sådana system fungerar bara om enheten placeras direkt på "mattan", och för glömska människor är detta inte bättre än att bara behöva koppla in sladden till ett uttag. Nej, telefonen måste få el var som helst i rummet, eller till och med lägenheten, och det spelade ingen roll om du slängde den på bordet, soffan eller fönsterbrädan.
Här passade inte vanlig elektromagnetisk induktion, riktade mikrovågsstrålar och ”försiktiga” infraröda lasrar. Marin började leta efter andra alternativ. Då kunde han knappast ha trott att efter en tid skulle den pipande och "hungriga" telefonen leda honom till skapelsen äga företag och framväxten av teknik som kan "skapa rubriker" och, ännu viktigare, intressera industriella partners.
Låt oss tillägga att han en gång talade i detalj om WiTricitys principer, historia och framtid Verkställande direktör Eric Giler Corporation.
