3 способа беспроводной передачи энергии — тесла как всегда был прав лазеры, микроволны и катушки индуктивности

Из всех идей, над которыми работал инженер и физик Никола Тесла, а в этом списке были переменный ток, радио, пульт дистанционного управления (и это в конце XIX века), самой фантастической и трудно осуществимой была передача электрической энергии без проводов. И дело не в том, что сербский изобретатель не знал, как осуществить свой проект. Идея беспроводного электричества, как и электродвигатель, созданный в эпоху бурного развития нефтяной промышленности, не была оценена по достоинству и не получила поддержку от инвесторов и научного сообщества. Спустя десятилетия, когда электроприборы стали неотъемлемой частью нашего быта, система беспроводной передачи электричества (БПЭ) снова будоражит умы инженеров по всему миру. Каких результатов уже удалось достичь, и какие способы используется сегодня?

«Когда это будет сделано, вы сможете отправиться в любую точку мира — на вершину горы с видом на вашу ферму, в Арктику или в пустыню — и установить небольшое оборудование, которое даст вам тепло для приготовления пищи, а свет для чтения. Это оборудование поместиться в небольшой сумке, как обычный чемодан. В ближайшие годы беспроводные светильники будут столь же распространены на фермах, как и обычные электрические светильники в наших городах».

Никола Тесла, «The American Magazine», апрель 1921 года

Что это такое?

Катушка представляет собой трансформатор. Назначение устройства — увеличение параметров тока до огромных высот (до миллионов вольт). Основная цель: максимально увеличить частоту переменного тока. В идеале такая же обратная катушка должна быть размещена в точке приема энергии, которая будет резонировать с устройством, что позволит передавать энергию на расстояние.

Бесконтактная передача энергии через катушку Тесла

Давайте подробно рассмотрим, как работает катушка Тесла. Для начала качаемся — не сразу понятно, что качается в катушке. Постоянный ток, который Эдисон использовал в своих изобретениях, дорог в производстве. Эта энергия имеет ярко выраженный вектор движения. Переменный ток постоянно меняет параметры электричества: напряжение и ток. Это называется колебаниями электрического тока.

интересно, что основные законы колебания электрического тока и механического маятника совпадают. Примечательно, что существует также резонансный эффект для электричества. Когда частоты двух электрических полей совпадают, амплитуда колебаний увеличивается. По задумке Теслы, после того, как катушки резонируют, в приемнике должен появиться электрический ток.

На самом деле приемник так и не был изобретен. Катушка Тес используется в качестве ориентира, на ней вы можете увидеть поток: другими словами, электрическую дугу, текущий разряд, искусственную молнию и изучить беспроводную передачу электричества.

Беспроводные зарядки имеют низкое КПД

Сегодня существует три основных варианта мощности беспроводных Qi-зарядок: 5 Вт, 7,5 Вт, 10 Вт. Для сравнения, самые распространенные проводные — 5 Вт, 10 Вт и 18 Вт.

Коэффициент полезного действия проводных блоков питания, преобразующих переменный ток в постоянный с заданными параметрами, балансирует в пределах от 50 до 85%. Остальное выделяется теплом и выражается нагревом элементов электроцепи.

Минимальным условием для работы Qi хотя бы с 5 Вт — зарядное устройство на 10 Вт. Иначе ничего не выйдет, зарядка не заработает.

При этом для работы Qi с мощностью 10 Вт необходим блок питания с поддержкой QC 3.0 на 18 Вт или мощнее (чаще предлагается использовать PD на 24 Вт).

КПД преобразования составляет всего 55%.

Сама передача от зарядки к устройству тоже является источником потерь: телефон в среднем принимает 4,2 Вт из 5Вт (КПД 85%) и 9,1Вт из 10Вт (КПД около 90%).

Из 18 Вт сделать 9,1 Вт с КПД 50% — это теперь называется «зеленая экономичная энергетика»?

Неужели нет более удачных технологий? Есть. Теоретически проблема проста: повышаем напряжение, уменьшаем ток, снижаем потери.

Только в электронике аккумулятор на 4,35 В, поэтому придётся оснащать смартфон понижающим преобразователем. Который должен быть рассчитан

• на конкретные параметры зарядки
• с запасом по напряжению
• и обладать большими потерями из-за преобразования и особенностей использованных для него транзисторов

Высокомощные беспроводные интерфейсы, активно продвигаемые Xiaomi и другими китайскими брендами предлагают более высокие токи.

За счет этого, а так же дорогой электроники (и специфичного распределения себестоимости) им удаётся достичь КПД до 55-70%.

Однако им требуются высокомощные Power Delivery источники тока с мощностью 65 Вт и выше, которые сами по себе имеют достаточно высокие потери.

Поэтому чаще всего производители комплектуют Qi-зарядку собственным блоком питания. В итоге общая стоимость аксессуара на свободном рынке может достигать 20-40% от стоимости самого гаджета. Отдельно ничего не купить. Так зачем, если скорее всего с новым смартфоном придётся покупать более мощное устройство?

Базовые элементы электрогенерирующей установки

Двухэлементная установка: колебательная и приемная. Первый элемент — трансформатор Тесла, который питается от микросхемы IR2153. Качер будет работать на частоте 230 килогерц, работая на микросхеме с частотой 23 килогерца. На выходе будут 2 полевых транзистора. Катушка намотана медным проводом 0,35 мм. 950 оборотов. Есть почти все подробности. Единственный недостаток — диета. В следующем видео вы можете увидеть, как получилось устройство. В этом китайском магазине продаются готовые роллы.

Другая часть диаграммы более сложна. Выйдет дороже. Используются редкие ферриты. Но игра стоит свеч. Схема полностью не соответствует привычным представлениям физики и электроники.

Для каждого устройства нужна своя зарядка

Та же проблема с позиционированием электромагнитных катушек в итоге ведёт к следующей — отсутствие единого стандарта в отрасли.

Компании договорились использовать слаботочную Qi-технологию и унифицировали устройства. Но то Samsung, то Xiaomi выпускают модели, которые не работают с чужими зарядками на полной скорости.

Высокомощная беспроводная зарядка Xiaomi, представленная пару месяцев назад, работает только при точном попадании на базу.

И заряжает быстро батарею только до 50%, снижая мощность в последствии с 80 до 20 Вт. Причем, даже на максимальной «скорости» эффективность составляет только 65 Вт.

Эта зарядка не работает «на пониженных оборотах» с другими смартфонами — катушки имеют другой размер. По той же причине стандартные Qi-зарядки «раскачиваются» с соответствующим Mi 11 Ultra только до 10 Вт.

Нужен единый стандарт процесса, иначе инфраструктура будет работать только для одного производителя.

Даже в отношении смартфонов пользователю это не выгодно. А что говорить об автомобилях?

Особенно когда существующие прототипы от Momentum Dynamic обещают невероятные невозможные 100% КПД?

История развития

Развитие дистанционной беспроводной передачи электроэнергии связано с достижениями радиотехники, поскольку оба процесса имеют одинаковую природу. Изобретения в обеих областях связаны с исследованием метода электромагнитной индукции и ее влияния на генерацию электрического тока.

Утром 1820 года Ампер открыл закон взаимодействия токов, который заключался в том, что если ток течет в одном направлении по двум близко расположенным проводникам, то они притягиваются друг к другу, а если в разных — отталкиваются.

М. Фарадей в 1831 году установил в процессе проведения экспериментов, что переменное магнитное поле (которое со временем меняет размер и направление), создаваемое протеканием электрического тока, индуцирует (индуцирует) токи в соседних проводниках. У тех есть беспроводная передача электроэнергии. Мы подробно рассмотрели закон Фарадея в предыдущей статье.

Итак, Дж. К. Максвелл через 33 года, в 1864 году, перевел экспериментальные данные Фарадея в математическую форму, те же уравнения Максвелла являются фундаментальными в электродинамике. Они описывают, как связаны электрический ток и электромагнитное поле.

Существование электромагнитных волн было подтверждено в 1888 г. Г. Герцем в ходе его экспериментов с искровым излучателем с переключателем на катушке Румкорфа. Таким образом создавались электромагнитные волны с частотой до половины гигагерца. Стоит отметить, что эти волны могли быть приняты несколькими приемниками, но они должны быть настроены в резонанс с передатчиком. Дальность действия завода была порядка 3 метров. Когда в передатчике возникла искра, такая же искра возникла в приемниках. Фактически, это первые эксперименты по беспроводной передаче электроэнергии.

Известный ученый Никола Тесла провел обширные исследования. Он изучал переменный ток высокого напряжения и частоты в 1891 году. В результате были сделаны следующие выводы:

Для каждой конкретной цели установка должна быть настроена на соответствующую частоту и напряжение. В этом случае высокая частота не является обязательным условием. Наилучшие результаты были получены при частоте 15-20 кГц и напряжении передатчика 20 кВ. Колебательный разряд конденсатора использовался для получения тока высокой частоты и напряжения. Таким образом, можно передавать как электричество, так и производить свет.

Во время своих выступлений и лекций ученый демонстрировал свечение ламп (электронных ламп) под действием высокочастотного электростатического поля. Фактически, основные выводы Теслы заключались в том, что даже в случае использования резонансных систем невозможно передать много энергии с помощью электромагнитной волны.

Параллельно подобными исследованиями до 1897 года занимались ряд ученых: Джагдиш Боче в Индии, Александр Попов в России и Гульельмо Маркони в Италии.

Каждый из них внес свой вклад в развитие беспроводной передачи энергии:

1. Дж. Бош в 1894 году зажег порох, передавая электричество на расстояние без проводов. Он сделал это во время демонстрации в Калькутте.
2. А. Попов 25 апреля (7 мая) 1895 г с помощью азбуки Морзе передал первое сообщение. В России сегодня, 7 мая, по-прежнему День радио.
3. В 1896 г. Г. Маркони в Великобритании также передал радиосигнал (азбука Морзе) на расстояние 1,5 км, а затем и 3 км над равниной Солсбери.

Стоит отметить, что работы Теслы, недооцененные в свое время и утерянные на века, по параметрам и мощности превзошли работы его современников. В то же время, именно в 1896 году его устройства передавали сигнал на большие расстояния (48 км), но, к сожалению, это было небольшое количество электричества.

И в 1899 году Тесла пришел к выводу:

Несостоятельность индукционного метода кажется огромной по сравнению с методом возбуждения заряда земли и воздуха.

Этот вывод приведет к другим исследованиям: в 1900 году ему удалось запитать лампу от катушки, проведенной в полевых условиях, а в 1903 году была запущена башня Вандерклифф на Лонг-Айленде. Он состоял из трансформатора с заземленной вторичной обмоткой и сферического медного купола наверху. С его помощью оказалось, что зажгли 200 ламп по 50 ватт. При этом передатчик находился в 40 км от него. К сожалению, эти исследования были остановлены, финансирование приостановлено, а бесплатная беспроводная передача электроэнергии оказалась экономически невыгодной для деловых людей. Башня была разрушена в 1917 году.

История

Беспроводная передача энергии в качестве альтернативы передачи и распределения электрических линий, впервые была предложена и продемонстрирована Никола Тесла. В 1899 году Тесла презентовал беспроводную передачу на питание поля люминесцентных ламп, расположенных в двадцати пяти милях от источника питания без использования проводов. Но в то время было дешевле сделать проводку из медных проводов на 25 миль, а не строить специальные электрогенераторы, которых требует опыт Тесла. Патент ему так и не выдали, а изобретение осталось в закромах науки.

В то время как Тесла был первым человеком, который смог продемонстрировать практические возможности беспроводной связи еще в 1899 году, сегодня, в продаже есть совсем немного приборов, это беспроводные щетки наушники, зарядки для телефонов и прочее.

Устройство катушки

Трансформатор Тесла, схема которого будет представлена ​​ниже, состоит из двух катушек, тороида, защитного кольца и, конечно же, заземления.

Эскиз рабочего стола TC

необходимо рассматривать каждый элемент отдельно:

• вторичная обмотка. Для намотки используется эмалированный медный провод на 800 витков. Поэтому катушки не раскручиваются и не царапаются;
• заземление. Если включить незаземленную катушку, стримеры (токовые разряды) не попадут в воздух, а создадут замкнутую цепь.
• первичная обмотка расположена внизу. На него подается питание. Он должен быть заземлен. Изготовлен из металла низкой прочности;
• тороид. Этот элемент снижает резонансную частоту, накапливает энергию и увеличивает рабочий диапазон.
• защитное кольцо. Это открытое кольцо из медной проволоки. Устанавливается, если длина косы больше длины вторичной обмотки;

Чертеж ТК

Меры безопасности

После того, как ваш CT собран, перед запуском необходимо предпринять несколько мер предосторожности. Для начала нужно проверить проводку в помещении, куда вы планируете подключать трансформатор

Во-вторых, проверьте изоляцию обмоток.

Также стоит помнить о простейших мерах предосторожности. Напряжение вторичной обмотки в среднем составляет 700А, 15А на одного человека уже смертельно опасно

Кроме того, стоит убрать все электроприборы подальше, попав в зону действия катушки, они могут сгореть.

CT — революционное открытие своего времени, которое сегодня недооценивают. Сегодня трансформатор Tesla служит только для развлечения домашних электриков и в световых дисплеях. Сделать катушку можно самостоятельно, используя подручные средства. Вам понадобится труба из ПВХ, несколько сотен метров медного провода, пара метров медных трубок, транзистор и пара резисторов.

Микроволны

Неужели нет другого действительно эффективного способа беспроводной передачи электроэнергии? Да, и это было изобретено до детских попыток и игр в «Звездных войнах.

Оказывается, специальные микроволны длиной 12 см (частота 2,45 ГГц) как бы прозрачны для атмосферы и не мешают их распространению.

Какой бы плохой ни была погода, при вещании с помощью микроволн вы потеряете всего пять процентов! Но для этого вы должны сначала преобразовать электрический ток в микроволны, затем уловить их и вернуть в исходное состояние.

Первую проблему ученые решили давно. Для этого придумали специальное устройство и назвали его магнетроном.

Причем сделано это настолько профессионально и безопасно, что сегодня такое устройство есть у каждого из вас дома. Идите на кухню и посмотрите на свою микроволновую печь.

Внутри такой же магнетрон с КПД 95%.

Но вот как сделать обратное преобразование? И здесь было разработано два подхода:

• Американец

• Советский

В Соединенных Штатах в 1960-х годах ученый У. Браун изобрел антенну, которая выполняла требуемую задачу. То есть преобразовал падающее излучение обратно в электрический ток.

Он также дал ему свое имя — ректенна.

После изобретения последовали эксперименты. А в 1975 году с помощью ректенны передавалось и принималось до 30 кВт мощности на расстояние более километра. Потери при передаче составили всего 18%.

Спустя почти полвека этот опыт никогда не устарел. Казалось бы, метод найден, так почему же эти ректенны не бросили в массы?

И тут снова проявляются недостатки. Ректенны собраны на основе миниатюрных полупроводников. Нормальная работа для них — это передача мощности всего в несколько ватт.

А если хотите передать десятки или сотни киловатт, то приготовьтесь собирать гигантские панели.

И здесь возникают те же неразрешимые трудности. Во-первых, это повторное излучение.

Из-за этого вы не только потеряете часть своей энергии, но и не сможете приблизиться к панелям, не потеряв при этом свое здоровье.

Вторая головная боль — нестабильность полупроводников в панелях. Достаточно сжечь один из-за небольшой перегрузки, а остальные выходят из строя, как лавина, как спички.

В СССР все было несколько иначе. Наши военные недаром были уверены, что даже при ядерном взрыве вся иностранная техника сразу выйдет из строя, а советская — нет. Весь секрет в лампах.

В МГУ двое наших ученых, В. Савин и В. Ванке, разработали так называемый циклотронный преобразователь энергии. Он имеет приличные размеры, так как собран по ламповой технологии.

Внешне это что-то вроде трубки длиной 40 см и диаметром 15 см. КПД этого лампового блока несколько ниже, чем у американского полупроводникового элемента — до 85%.

Но в отличие от полупроводниковых детекторов циклотронный преобразователь энергии имеет ряд существенных преимуществ:

• надежность

• высокое напряжение

• сопротивление перегрузке

• без повторного облучения

• низкая стоимость производства

Однако, несмотря на все вышесказанное, именно методы реализации конструкции полупроводников считаются передовыми во всем мире. Здесь тоже есть модный элемент.

После первого появления полупроводников все начали резко отказываться от ламповой техники. Но практические тесты показывают, что это часто неправильный подход.

Конечно, сотовые телефоны или 20-килограммовые ламповые компьютеры, которые занимают целые комнаты, никого не интересуют.

Но иногда только проверенные старые методы могут помочь нам в безвыходных ситуациях.

В результате сегодня у нас есть три возможности для беспроводной передачи энергии. Первое из рассмотренных ограничено как расстоянием, так и мощностью.

Но этого достаточно, чтобы зарядить аккумулятор смартфона, планшета или чего-то большего. Хотя эффективность невелика, метод все же работает.

Лазерная техника хороша только в космосе. На поверхности земли это не очень эффективно. Правда, когда другого выхода нет, можно им воспользоваться.

Но микроволновые печи дают волю воображению. С их помощью можно передавать энергию:

• на земле и в космосе

• с поверхности земли на космический корабль или спутник

• и наоборот, со спутника в космосе он возвращается на Землю

Передача энергии через катушки

Самый легко реализуемый способ — использование катушек индуктивности.

Здесь принцип очень простой. Берутся 2 катушки и размещаются недалеко друг от друга. На одну из них подается питание. Другая играет роль приемника.

Когда в источнике питания регулируется или изменяется сила тока, на второй катушке магнитный поток автоматически также изменяется. Как гласят законы физики, при этом будет возникать ЭДС и она будет напрямую зависеть от скорости изменения этого потока.

Казалось бы все просто. Но недостатки портят всю радужную картинку. Минусов три:

• маленькая мощность

Данным способом вы не передадите большие объемы и не сможете подключить мощные приборы. А попытаетесь это сделать, то просто поплавите все обмотки.

• небольшое расстояние

Даже не задумывайтесь здесь о передаче электричества на десятки или сотни метров. Такой способ имеет ограниченное действие.

Чтобы физически понять, насколько все плохо, возьмите два магнита и прикиньте, как далеко их нужно развести, чтобы они перестали притягиваться или отталкиваться друг от друга. Вот примерно такая же эффективность и у катушек.

Можно конечно исхитриться и добиться того, чтобы эти два элемента всегда были близко друг от друга. Например электромобиль и специальная подзаряжающая дорога.

Но в какие суммы выльется строительство таких магистралей.

• малый КПД

Еще одна проблема это низкий КПД. Он не превышает 40%. Получается, что таким способом передать много эл.энергии на большие расстояния вы не сможете.

Тот же Н.Тесла указал на это еще в 1899г. Позже он перешел на эксперименты с атмосферным электричеством, рассчитывая в нем найти разгадку и решение проблемы.

Однако какими бы не казались бесполезными все эти штуки, с их помощью до сих пор можно устраивать красивые светомузыкальные представления.

Или подзаряжать технику гораздо большую чем телефоны. Например электрические велосипеды.

Наиболее перспективные направления

Беспроводное электричество постоянно изучается многими физиками, рассматриваются наиболее перспективные направления в этой области, к которым относятся:

1. Заряжайте мобильные устройства без подключения к кабелю;
2. Реализация электроснабжения беспилотных летательных аппаратов — направление, которое будет пользоваться большим спросом как в гражданской, так и в военной отраслях, поскольку такие устройства в последнее время используются для различных целей.

Та же процедура удаленной передачи данных без использования проводов считалась когда-то прорывом в физических и энергетических исследованиях, сейчас никого не удивляет и стала доступна каждому. Благодаря современному развитию технологий и разработок, транспортировка электроэнергии этим методом становится реальностью и может быть реализована.

Ожидание относительно короткое. Если японцы сдержат свои обещания, в 2022 году вся бытовая техника, компьютеры и портативные устройства смогут освободиться от ига проводов, поработивших человечество. Покупателю останется только принести домой, например, новый телевизор, повесить его на стену и начать смотреть фильм буквально сразу, не задумываясь над тем, на каком экране скрыть некрасивый черный шнур питания. На улицах, в квартирах, в кафе будут встроены беспроводные передатчики энергии, что позволит людям забыть о разряженных батареях. Конечно, на окончательное воплощение таких идей в жизнь уйдет целых десять лет, но у нас есть все шансы на светлое будущее. К тому же уже есть вполне функциональные технологии. Жалко, что Никола Тесла не увидит этот день…

Перспективы

В настоящее время ведутся исследования и разработки проектов строительства электромобилей. Они будут двигаться с помощью проводника, который индуцирует ток в двигателе транспортного средства.

Многие компании-новаторы разрабатывают беспроводной метод передачи электроэнергии к источникам питания, такие устройства должны обеспечивать питание всех потребителей в одном помещении. Перспективным направлением являются также новые маршруты, которые благодаря беспроводному источнику обеспечат движение летательного аппарата на значительном удалении. Новые материалы, улучшенные устройства и многое другое со временем охватят все сферы человеческой деятельности.

К истокам появления

В 1893 году проходила выставка в Чикаго. На ней была демонстрация беспроводного освещения, в которой все действовало за счет люминесцентных ламп. Это работа принадлежала Николе Тесла.

Сейчас эксперимент сможешь повторить и ты – просто встань с лампой дневного света под линией с высоким напряжением. А тогда это было больше похоже на сеанс магии, поэтому изобретатель получил такую популярность.

Сегодня не каждый ученый согласится, что именно Тесле принадлежит идея создания беспроводного электричества. Они считают, что его работы – это доработка уже существующей идеи. Например, за 73 года до выставки, Андре Ампер записал закон, который указывает, что при использовании электротока возникает магнитное поле. Через одиннадцать лет, Майкл Фарадей открыл закон индукции. Был проведен опыт, который показал, что генерируемое в одном проводнике магнитное поле индуцирует ток в другой проводник.

В 1864 году произошло объединение всех теорий. Работа принадлежит Джеймсу Максвеллу. Он пришел к уравнению, которое описывало электромагнитное поле, а также связь с электрозарядами и токами в вакууме.

Спустя двадцать семь лет Тесла модернизировал передатчик волн, который изобрел Герц немного ранее. Он запатентовал его в качестве устройства для радиочастотного энергоснабжения.

Физика беспроводной передачи электрической энергии

Беспроводная передача электроэнергии на домашние устройства — это новая технология, но основные принципы известны давно. Когда задействованы электричество и магнетизм, уравнения Максвелла по-прежнему управляются, и передатчики посылают энергию приемникам так же, как и другие формы беспроводной связи. Однако беспроводная передача электричества отличается от них основным назначением, которое заключается в передаче самой энергии, а не закодированной в ней информации.

Блок-схема передатчика и приемника для беспроводной передачи электроэнергии

Электромагнитные поля, участвующие в беспроводной передаче электроэнергии, могут быть довольно сильными, поэтому необходимо учитывать безопасность человека. Воздействие электромагнитного излучения может вызвать проблемы, и существует вероятность того, что поля, создаваемые передатчиками электрической энергии, могут помешать работе носимых или имплантированных медицинских устройств.

Передатчики и приемники встроены в устройства для беспроводной передачи электроэнергии так же, как и аккумуляторы, которые они будут заряжать. Фактические схемы преобразования будут зависеть от используемой технологии. Помимо самой передачи электроэнергии, система БПЭ должна обеспечивать связь между передатчиком и приемником. Это гарантирует, что приемник может уведомить зарядное устройство о том, что аккумулятор полностью заряжен. Связь также позволяет передатчику определять местонахождение и идентифицировать приемник, чтобы точно настроить мощность, подаваемую на нагрузку, и контролировать, например, температуру батареи.

При беспроводной передаче электроэнергии важен выбор концепции ближнего или дальнего поля. Технологии передачи, количество передаваемой энергии и требования к расстоянию влияют на то, будет ли система использовать излучение ближнего или дальнего поля.

Точки, для которых расстояние от антенны значительно меньше одной длины волны, находятся в ближнем поле. Энергия в зоне ближнего поля не излучает, и колебания магнитного и электрического полей независимы друг от друга. Емкостная (электрическая) и индуктивная (магнитная) связи могут использоваться для передачи энергии приемнику, расположенному в ближнем поле передатчика.

Точки, для которых расстояние от антенны больше, чем примерно две длины волны, находятся в дальней зоне (между ближней и дальней зонами есть переходная область). Энергия дальнего поля передается в виде обычного электромагнитного излучения. Передача энергии в дальнем поле также называется пучком энергии. Примерами передачи в дальней зоне являются системы, в которых используются мощные лазеры или микроволновое излучение для передачи энергии на большие расстояния.

Принципы передачи

Производство электроэнергии

В последних разработках учёных из США и Южной Кореи применялись магнитно-резонансные системы CMRS и DCRS. Корейская технология оказалась более совершенной. Удалось передать электроэнергию на 5 метров. Благодаря компактным дипольным катушкам DCRS, можно запитать всех потребителей в помещении средних размеров без проводов.

Важно! Несовершенство современной аппаратуры существенно ограничивает длину пути электричества по воздуху.

Несмотря на это, учёные всего мира заняты получением новых технологий, задача которых – передача энергии на расстоянии в десятки и сотни километров. Уже сегодня развиваются и претворяются в жизнь новые достижения науки в области доставки электроэнергии без проводных линий электропередач.

Технология

Принцип индуктивной связи
Два устройства, либо взаимно индуктивно связанных, либо магнитно связанных, сконструированы таким образом, что изменение тока, когда один провод индуцирует напряжение на концах другого провода, производится за счет электромагнитной индукции. Это связано с взаимной индуктивностью. Индуктивная связь предпочтительна из-за ее способности работать без проводов и из-за ее ударопрочности.

Резонансная индуктивная связь — это комбинация индуктивной связи и резонанса. Используя концепцию резонанса, можно заставить два объекта работать независимо от сигналов друг друга.

Принцип индуктивного резонанса связи

Как видно из диаграммы выше, резонанс обеспечивает индуктивность катушки. Конденсатор подключен параллельно обмотке. Энергия будет перемещаться вперед и назад между магнитным полем, окружающим катушку, и электрическим полем вокруг конденсатора. Здесь радиационные потери будут минимальными.

Также существует концепция беспроводной ионизированной связи.

это тоже достижимо, но здесь требуется немного больше усилий. Этот метод уже существует в природе, но вряд ли есть возможность для его реализации, так как он требует сильного магнитного поля, от 2,11 М / м . Его разработал гениальный ученый Ричард Волрас, разработчик вихревого генератора, который отправляет и передает тепловую энергию на большие расстояния, в частности, с помощью специальных коллекторов. Самый простой пример такого подключения — молния.

Беспроводные способы передачи электроэнергии

Энергия может распространяться через рассматриваемую сеть практически к любому неметаллическому материалу, включая, но не ограничиваясь этим. Это твердые вещества, такие как дерево, пластик, текстиль, стекло и кирпич, а также газы и жидкости. Когда металлический или электропроводящий материал (например, углеродное волокно) помещается в непосредственной близости от электромагнитного поля, объект поглощает из него энергию и, следовательно, нагревается. Это, в свою очередь, влияет на эффективность системы. Вот как работает индукционное приготовление пищи, например, неэффективная передача энергии от варочной панели создает тепло для приготовления пищи.

Чтобы создать систему беспроводной передачи электроэнергии, необходимо вернуться к истокам рассматриваемой темы. Или, точнее, успешный ученый и изобретатель Никола Тесла, который создал и запатентовал генератор, способный принимать энергию без различных материалистических проводников. Итак, для реализации беспроводной системы необходимо собрать все важные элементы и детали, в результате будет реализована небольшая катушка Тесла. Это устройство, которое создает в окружающем воздухе электрическое поле высокого напряжения. В то же время есть небольшая входная мощность, обеспечивающая беспроводную передачу энергии на расстояние.

Одним из важнейших способов передачи энергии является индуктивная связь. В основном используется для ближнего боя. Он отличается тем, что при протекании тока по одному проводу на концах другого индуцируется напряжение. Передача энергии происходит за счет взаимности между двумя материалами. Типичный пример — трансформатор. Идея микроволновой передачи энергии была разработана Уильямом Брауном. Вся концепция включает преобразование мощности переменного тока в мощность РЧ и передачу ее в космос, а также повторное использование мощности переменного тока для приемника. В этой системе напряжение генерируется с помощью источников микроволновой энергии. Как клистрон. И эта мощность передается на передающую антенну через волновод, защищающий от отраженной мощности. А также тюнер, который согласовывает импеданс микроволнового источника с другими элементами. Приемная часть состоит из антенны. Он принимает микроволновую мощность, импеданс и схему согласования фильтра. Эта приемная антенна вместе с выпрямительным устройством может быть диполем. Соответствует выходному сигналу аналогичному звуковому сигналу выпрямительного блока. Приемный блок также состоит из аналогичной секции, состоящей из диодов, которые используются для преобразования сигнала в предупреждение постоянного тока. Эта система передачи использует частоты в диапазоне от 2 ГГц до 6 ГГц.

Беспроводная передача электричества с помощью камара Бровина, который реализовал генератор, использующий аналогичные магнитные колебания. Суть в том, что это устройство работало благодаря трем транзисторам.

Использование лазерного луча для передачи энергии в виде световой энергии, которая преобразуется в электрическую энергию на принимающей стороне. Сам материал питается напрямую от таких источников, как солнце или любой электрический генератор. И, как результат, он реализует сфокусированный свет высокой интенсивности. Размер и форма луча определяются комплектом оптики. И этот проходящий лазерный свет принимается фотоэлектрическими элементами, которые преобразуют его в электрические сигналы. Обычно для передачи используются оптоволоконные кабели. Как и в случае с базовой солнечной энергетической системой, приемник, используемый в лазерном распространении, представляет собой серию фотоэлектрических элементов или солнечную панель. В свою очередь, они могут преобразовывать непоследовательный монохроматический свет в электричество.

Чем больше источников тока, тем менее предсказуемы последствия

Наконец, ещё одна нерешенная физическая проблема: суперпозиция электромагнитных полей. Чем больше зарядных устройств и их мощность, тем дальше и больше распространяются их волны.

В какой-то момент они начнут взаимодействовать. Это не кажется проблемой, на первый взгляд.

Ровно до тех пор, пока кто-нибудь не решит поставить пару зарядок рядом, сместив вектор распространения на что-то чувствительное к электромагнитному полю.

Этим «чем-то» может быть устройство связи, кардиостимулятор, станция связи и любое другое электронное устройство.

Проблема не в том, что оно попадёт под действие одного источника — теоретически, даже мощные беспроводные зарядки можно спроектировать так, чтобы не мешать электронике.

Но при наложении волн друг на друга получится неизвестная величина, которую сложно предсказать. Нужен ли такой риск?

Кстати, судя по слухам именно это «убило» беспроводную зарядку AirPower от Apple, которая могла нести 32 катушки (слаботочных!).

«Со временем эти гармоники суммируются и в воздухе появляются очень мощные сигналы, — поясняет — А это может представлять сложность — к примеру, такое излучение может остановить чей-нибудь кардиостимулятор, если будет достаточно мощным. Или замкнуть чей-нибудь слуховой аппарат».

Уильям Лампкинс, технический вице-президент O & S Services

Если от аппарата Apple гармоники разлетались во все стороны, возможно, AirPower не смог пройти тесты регуляторов США или ЕС.

Получаем энергию с катушками и без них

Мы пытаемся удалить энергию эфира двумя способами. Сначала трансформатор работает автономно, без дополнительных катушек. Слева — напряжение потребления, справа — ток. Напряжение около 11 вольт, сила тока 1,8. Теперь соединяем две одинаковые катушки. Трубки для снятия вставляются в их середину. На их выходе горят лампочки. Те, которые используются в холодильнике на 220 вольт, 15 ватт. Катушки наматываются так же, как и качер. Все концы луковиц уйдут в землю. Посмотрим, как меняются параметры.

7. Информация об измерении частоты на плате. Как это произошло? Включен во вторичную обмотку. Он пошел от катушки, прошел феррит, затем намотал на кольцо 3 витка обычного провода и выводы пошли на осциллограф. Я положил начало этому. Предел составляет 1 микросекунду. Предел напряжения 1 вольт. Мы смотрим.

Реальные проекты в наши дни

Из всего, что предлагает сегодня электротехнический рынок, это касается беспроводной передачи электроэнергии, зарядных устройств для смартфонов, электрических зубных щеток. В них используется принцип электромагнитной индукции.

Бесконтактная зарядка смартфона

Авиационная промышленность приступила к массовому производству беспилотных летательных аппаратов с беспроводной передачей электроэнергии. Небольшой микроволновый вертолет с ректенной может летать на высоте до 15 метров над землей. Появились дроны, которые могут летать в зоне прямой видимости лазерного луча.

Китайский производитель бытовой техники Haier Group производит беспроводные ЖК-телевизоры с 2010 года.

Передача электроэнергии без проводов- от начала до наших дней

Передача электроэнергии без проводов, это способ передачи электрической энергии без использования токопроводящих элементов в электрической цепи.
В конце XIX века открытие того, что при помощи электричества можно заставить светиться лампочку, вызвало взрыв исследований, целью которых было найти наилучший способ передачи электроэнергии.

Активно изучалась беспроводная передача энергии и в начале 20го века, когда ученые уделяли большое внимание поиску различных путей беспроводной передачи энергии. Цель исследований была проста – генерировать электрическое поле в одном месте так, чтобы затем можно было его приборами обнаружить на расстоянии. В то же время были предприняты попытки снабжения энергией на расстоянии не только высокочувствительных датчиков для регистрации напряжения, а и значительных потребителей энергии. Так, в 1904 году на выставке St. Louis World’s Fair был вручен приз за успешный запуск самолетного двигателя мощностью 0,1 лошадиной силы, осуществленный на расстоянии 30 м.

Гуру «электричества» известны многим (William Sturgeon, Michael Faraday, Nicolas Joseph Callan, James Clerk Maxwel, Heinrich Hertz, Mahlon Loomas и др.), но мало кто знает, что японский исследователь Hidetsugu Yagi для передачи энергии использовал собственной разработки антенну. В феврале 1926 г. он опубликовал результаты своих исследований, в которых описал строение и способ настройки антенны Yagi.

Прим: про Никола Тесла (Nikola Tesla) я не упомянул сознательно: написано много и многими.

Очень серьёзные работы и проекты велись в СССР в период 1930-1941 гг и параллельно в Drittes Reich. Естественно, в основном, военного назначения. Естественно, в основном, военного назначения: поражение живой силы противника, уничтожение военной и промышленной инфраструктуры и т.д. В СССР велись так же серьёзные работы по использованию СВЧ излучения для предотвращения поверхностной коррозии металлических конструкций и изделий. Но это отдельная история. Опять надо лезть на пыльный чердак.

Один из крупнейших российских физиков прошлого столетия, лауреат Нобелевской премии, академик Пётр Леонидович Капица посвятил часть своей творческой биографии исследованию перспектив использования СВЧ-колебаний и волн для создания новых и высокоэффективных систем передачи энергии. В 1962 году в предисловии к своей он писал

«… я хочу напомнить, что электротехника, прежде чем прийти на службу энергетике, в прошлом веке занималась широко только вопросами электросвязи (телеграф, сигнализация и пр.). Вполне вероятно, что история повторится: теперь электроника используется главным образом для целей радиосвязи, но её будущее лежит в решении крупнейших проблем энергетики»
.

Из длинного перечня фантастических технических идей, реализованных в ХХ веке, только мечта о беспроводной передаче электрической энергии продолжала оставаться нереализованной. Подробные описания энергетических лучей в фантастических романах дразнили инженеров своей очевидной потребностью, и при этом практической сложностью реализации. Но ситуация постепенно стала меняться к лучшему.

В 1964 году эксперт в области СВЧ-электроники William C.Brown впервые испытал устройство (модель вертолета) способное принимать и использовать энергию СВЧ пучка в виде постоянного тока, благодаря антенной решётке, состоящей из полуволновых диполей, каждый из которых нагружен на высокоэффективные диоды Шоттки.

В 1964 г. William C. Brown продемонстрировал на канале CBS в программе Walter Cronkite News свою модель вертолета, получавшую достаточную для полета энергию от микроволнового излучателя.

Уже к 1976 году Вильям Браун осуществил передачу СВЧ-пучком мощности в 30 кВт на расстояние в 1,6 км с КПД превышающим 80%.

Испытания проводились в лаборатории и по заказу Raytheon Co. Подробно (на английском) читать: Microwave Power Transmission — IOSR Journals The microwave powered Helicopter. William C. Brown. Raytheon Company.

В 1968 году американский специалист в области космических исследований Питер Е. Глэйзер (Peter E. Glaser) предложил размещать крупные панели солнечных батарей на геостационарной орбите, а вырабатываемую ими энергию (уровня 5-10 ГВт) передавать на поверхность Земли хорошо сфокусированным пучком СВЧ-излучения, преобразовывать её затем в энергию постоянного или переменного тока технической частоты и раздавать потребителям.

Такая схема позволяла использовать интенсивный поток солнечного излучения, существующий на геостационарной орбите (~ 1,4 кВт/кв.м.), и передавать полученную энергию на поверхность Земли непрерывно, вне зависимости от времени суток и погодных условий [2-12]. За счёт естественного наклона экваториальной плоскости к плоскости эклиптики с углом 23,5 град., спутник, расположенный на геостационарной орбите, освещён потоком солнечной радиации практически непрерывно за исключением небольших отрезков времени вблизи дней весеннего и осеннего равноденствия, когда этот спутник попадает в тень Земли. Эти промежутки времени могут точно предсказываться, а в сумме они не превышают 1% от общей продолжительности года.

Частота электромагнитных колебаний СВЧ-пучка должна соответствовать тем диапазонам, которые выделены для использования в промышленности, научных исследованиях и медицине. Если эта частота выбрана равной 2,45 ГГц, то метеорологические условия, включая густую облачность и интенсивные осадки, практически не влияют на КПД передачи энергии. Диапазон 5,8 ГГц заманчив, поскольку дает возможность уменьшить размеры передающей и приемной антенн. Однако влияние метеорологических условий здесь уже требует дополнительного изучения.

Современный уровень развития СВЧ-электроники позволяет говорить о довольно высоком значении КПД передачи энергии СВЧ пучком с геостационарной орбиты на поверхность Земли — порядка 70-75%. При этом диаметр передающей антенны обычно бывает выбран равным 1 км, а наземная ректенна имеет размеры 10 км х 13 км для широты местности 35 град. СКЭС с уровнем выходной мощности 5 ГВт имеет плотность излучаемой мощности в центре передающей антенны 23 кВт/кв.м., в центре приемной – 230 Вт/кв.м.

Были исследованы различные типы твёрдотельных и вакуумных СВЧ-генераторов для передающей антенны СКЭС. Вильям Браун показал, в частности, что хорошо освоенные промышленностью магнетроны, предназначенные для СВЧ-печей, могут быть использованы также и в передающих антенных решётках СКЭС, если каждый из них снабдить собственной цепью отрицательной обратной связи по фазе по отношению к внешнему синхронизирующему сигналу (так называемый, Magnetron Directional Amplifier — MDA).

Ректенна – высокоэффективная приёмно-преобразующая система, однако низковольтность диодов и необходимость их последовательной коммутации, может приводить к лавинообразным пробоям. Циклотронный преобразователь энергии позволяет в значительной мере устранить эту проблему.

Передающая антенна СКЭС может представлять собой обратно-переизлучающую активную антенную решётку на основе щелевых волноводов. Её грубая ориентация осуществляется механическим путём, для точного наведения СВЧ-пучка используется пилот-сигнал, излучаемый из центра приёмной ректенны и анализируемый на поверхности передающей антенны сетью соответствующих датчиков.

С 1965 по 1975 гг. была успешно завершена научная программа, руководимая Bill Brown, продемонстрировавшая возможность передачи энергии мощностью 30 кВт на расстояние более 1 мили с эффективностью 84%.

В 1978–1979 годах в США под руководством Министерства энергетики (Department of Energy – DOE) и НАСА (NASA) была выполнена первая государственная научно-исследовательская программа, направленная на определение перспектив СКЭС.

В 1995–1997 годах НАСА вновь вернулось к обсуждению перспектив СКЭС, опираясь на прогресс технологий, достигнутый к тому времени.

Исследования были продолжены в 1999–2000 годах (Space Solar Power (SSP) Strategic Research & Technology Program).

Наиболее активно и планомерно исследования в области СКЭС проводила Япония. В 1981 году под руководством профессоров М.Нагатомо (Makoto Nagatomo) и С.Сасаки (Susumu Sasaki) в Институте космических исследований Японии были начаты исследования по разработке прототипа СКЭС с уровнем мощности 10 МВт, который мог бы быть создан с использованием существующих ракетоносителей. Создание такого прототипа позволяет накопить технологический опыт и подготовить основу для формирования коммерческих систем.

Проект был назван СКЭС2000 (SPS2000) и получил признание во многих странах мира.

В 2008 доцент кафедры физики Массачусетского Технологического Института (МИТ) Марин Солджачич (Marin Soljačić) был пробуждён от сладкого сна настойчивым пиканьем мобильного телефона. «Телефон не умолкал, требуя, чтобы я поставил его заряжаться», — рассказывает Солджачич. Уставший и не собиравшийся вставать, он стал мечтать о том, чтобы телефон, оказавшись дома, начинал заряжаться сам по себе

.

Так появился WiTricity и WiTricity corporation.

В июне 2007 г. Marin Soljačić и еще несколько исследователей Массачусетского технологического института сообщили о разработке системы, в которой 60 Вт лампочка снабжалась от источника, располагавшегося на расстоянии 2 м, причем эффективность составила 40%.

По заявлению авторов изобретения, это не «чистый» резонанс связанных контуров и не трансформатор Теслы, с индуктивной связью. Радиус передачи энергии на сегодня составляет чуть больше двух метров, в перспективе – до 5-7 метров. В целом, учеными испытывались две принципиально отличающиеся схемы.
1. В индукционной катушке или электрическом трансформаторе, которые имеют металлический или воздушный сердечник, передача энергии осуществляется путем простого электромагнитного соединения, называемого магнитной индукцией. С использованием этого метода передача и получение энергии стали осуществимы на значительном расстоянии, но для получения значительного напряжения подобным путем необходимо было расположить две катушки очень близко. 2. Если же используется магнитное резонансное сцепление, где оба индуктора настроены на взаимную частоту, значительная энергия может быть передана на немалое расстояние.
Сходные технологии лихорадочно разрабатываются и другими фирмами: компания Intel демонстрировала свою технологию WREL с КПД передачи энергии до 75%. В 2009 году фирма Sony продемонстрировала работу телевизора без сетевого подключения. Настораживает только одно обстоятельство: независимо от способа передачи и технических ухищрений, плотность энергии и напряженность поля в помещениях должна быть достаточно высокой, чтоб питать устройства мощностью несколько десятков ватт. По признанию самих разработчиков, информации о биологическом воздействии на человека подобных систем пока нет. Учитывая недавнее появление, и разный подход к реализации устройств передачи энергии, подобные исследования еще только предстоят, а результаты появятся не скоро. А мы сможем судить об их негативном воздействии только косвенно. Что-то опять исчезнет из наших жилищ, как, например, тараканы.

В 2010 году Haier Group, китайский производитель бытовой техники, представила на всеобщее обозрение на выставке CES 2010 свой уникальный продукт — полностью беспроводной LCD телевизор, основанный на исследованиях профессора Марина Солячича по беспроводной передаче энергии и беспроводном домашнем цифровом интерфейсе (WHDI).

В 2012-2015 гг. инженеры Вашингтонского университета разработали технологию, позволяющую использовать Wi-Fi в качестве источника энергии для питания портативных устройств и зарядки гаджетов. Технология уже признана журналом Popular Science как одна из лучших инноваций 2015 года. Повсеместное распространение технологии беспроводной передачи данных само по себе произвело настоящую революцию. И вот теперь настала очередь беспроводной передачи энергии по воздуху, которую разработчики из Вашингтонского университета назвали PoWiFi (от Power Over WiFi).

На стадии тестирования исследователи сумели успешно заряжать литий-ионные и никель-металл-гидридные аккумуляторы небольшой емкости. Используя роутер Asus RT-AC68U и несколько сенсоров, расположенных на расстоянии 8,5 метров от него. Эти сенсоры как раз и преобразуют энергию электромагнитной волны в постоянный ток напряжением от 1,8 до 2,4 вольта, необходимых для питания микроконтроллеров и сенсорных систем. Особенность технологии в том, что качество рабочего сигнала при этом не ухудшается. Достаточно лишь перепрошить роутер, и можно будет пользоваться им как обычно, плюс подавать питание к маломощным устройствам. На одной из демонстраций была успешно запитана небольшая камера скрытого наблюдения с низким разрешением, расположенная на расстоянии более 5 метров от роутера. Затем на 41% был заряжен фитнес-трекер Jawbone Up24, на это ушло 2,5 часа.

На каверзные вопросы о том, почему эти процессы не сказываются негативно на качестве работы сетевого канала связи, разработчики ответили, что это становится возможным благодаря тому, что перепрошитый роутер, во время своей работы, по незанятым передачей информации каналам рассылает пакеты энергии. К этому решению пришли когда обнаружили, что в периоды молчания энергия попросту утекает из системы, а ведь ее можно направить для питания маломощных устройств.

Во время исследований систему PoWiFi разместили в шести домах, и предложили жильцам пользоваться интернетом как обычно. Загружать веб-страницы, смотреть потоковое видео, а потом рассказать, что изменилось. В результате оказалось, что производительность сети не изменилась никак. То есть интернет работал как обычно, и присутствие добавленной опции не было заметным. И это были лишь первые тесты, когда по Wi-Fi собиралось относительно небольшое количество энергии

.

В перспективе технология PoWiFi вполне сможет послужить для питания датчиков, встроенных в бытовую технику и военную технику, чтобы управлять ими беспроводным способом и осуществлять дистанционную зарядку/подзарядку.

Актуальным является передача энергии для БПЛА (вероятнее всего уже по технологии PoWiMax или от радиолокатора самолёта носителя):

→ LOCUST — Swarming Navy Drones → Пентагон успешно испытал рой из 103 беспилотников → Intel управляла шоу беспилотников во время выступления Леди Гаги в перерыве Суперкубка США

Для БПЛА негатив от закона обратных квадратов (изотропно-излучающая антенна) частично «компенсирует» ширина луча антенны и диаграмма направленности:

Ведь БРЛС ЛА в импульсе может выдавать под 17 кВт энергии ЭМИ.

Это не сотовая связь -где ячейка должна обеспечить связь конечным элементам на 360 градусов. Допустим такая вариация: Самолёт носитель ( для Perdix) это F-18 обладает (сейчас) БРЛС AN/APG-65:

максимальная средняя излучаемая мощность по 12000 Вт

или в перспективе будет иметь AN/APG-79 AESA: в импульсе должен выдавать под 15 кВт энергии ЭМИ

Этого вполне достаточно, что бы продлить активную жизнь Perdix Micro-Drones с нынешних 20 минут до часа, а может и больше.

Скорее всего будет использоваться промежуточный дрон Perdix Middle, которого будет облучать на достаточном расстоянии БРЛС истребителя, а он в свою очередь осуществит «раздачу» энергии для младших братьев Perdix Micro-Drones по PoWiFi/PoWiMax, параллельно обмениваясь с ними информацией (полётно -пилотажной, целевыми задачами, координацией роя).

Возможно вскоре дело дойдет и до зарядки сотовых телефонов, и других мобильных устройств, которые находятся в зоне действия Wi-Fi, Wi-Max или 5G?

Послесловие: 10-20 лет, после широкого внедрения в повседневную жизнь многочисленных электромагнитных излучателей СВЧ (Мобильные телефоны, Микроволновые печи, Компьютеры,WiFi,Blu tools и т.д.) внезапно тараканы в больших городах вдруг превратились в раритет! Теперь таракан- насекомое, которое можно встретить разве что в зоопарке. Они неожиданно исчезли из домов, которые раньше так любили.

ТАРАКАНЫ КАРЛ! Эти монстры лидеры списка «радиорезистентных организмов» бесстыдно капитулировали!

LD 50 — средняя летальная доза, то есть доза убивает половину организмов в эксперименте; LD 100 — летальная доза убивает всех организмов в эксперименте.

Кто следующий на очереди?

Допустимые уровни излучения базовых станций мобильной связи (900 и 1800 МГц, суммарный уровень от всех источников) в санитарно-селитебной зоне в некоторых странах заметно различаются: Украина: 2,5 мкВт/см². (самая жесткая санитарная норма в Европе) Россия, Венгрия: 10 мкВт/см². Москва: 2,0 мкВт/см². (норма существовала до конца 2009 года) США, Скандинавские страны: 100 мкВт/см². Временно допустимый уровень (ВДУ) от мобильных радиотелефонов (МРТ) для пользователей радиотелефонов в РФ определён 10 мкВт/см² (Раздел IV — Гигиенические требования к подвижным станциям сухопутной радиосвязи СанПиН 2.1.8/2.2.4.1190-03 «Гигиенические требования к размещению и эксплуатации средств сухопутной подвижной радиосвязи» ). В США Сертификат выдается Федеральной комиссией по связи (FCC) на сотовые аппараты, максимальный уровень SAR которых не превышает 1,6 Вт/кг (причем поглощенная мощность излучения приводится к 1 грамму ткани органов человека). В Европе, согласно международной директиве Комиссии по защите от неионизирующего излучения (ICNIRP), значение SAR мобильного телефона не должно превышать 2 Вт/кг (при этом поглощенная мощность излучения приводится к 10 граммам ткани органов человека). Сравнительно недавно в Великобритании безопасным уровнем SAR считался уровень равный 10 Вт/кг. Такая же примерно картина наблюдалась и в других странах. Принятую в стандарте максимальную величину SAR (1,6 Вт/кг) даже нельзя с уверенностью отнести к «жестким» или к «мягким» нормам. Принятые и в США и в Европе стандарты определения величины SAR (все нормирование микроволнового излучения от сотовых телефонов, о котором идет речь базируется только на термическом эффекте, то есть связанном с нагреванием тканей органов человека).
ПОЛНЫЙ ХАОС.
Медицина до сих пор пока не дала внятного ответа на вопрос: вреден ли мобильный/WiFi и насколько? А как будет с беспроводной передачей электроэнергии СВЧ технологиями? Тут мощности не ватты и мили ватты, а уже кВт…

Прим: Типичная WiMAX базовая станция излучает мощность на уровне приблизительно +43 дБм (20 Вт), а станция мобильной связи обычно передает на +23 дБм (200 мВт).

Использованы документы, фото и видео

«ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ» N 12, 2007 (ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ ИЗ КОСМОСА- СОЛНЕЧНЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ, В. А. Ванке) «СВЧ-электроника –перспективы в космической энергетике» В.Ванке, д.ф.-м.н. www.nasa.gov www.whdi.org www.defense.gov www.witricity.com www.ru.pinterest.com www.raytheon.com www.ausairpower.net www.wikipedia.org www.slideshare.net www.homes.cs.washington.edu www.dailywireless.org www.digimedia.ru www.powercoup.by www.researchgate.net www.proelectro.info www.youtube.com

Как работает беспроводное электричество: индукция

Несмотря на то, что технология активно развивалась в последние десятилетия, один из самых популярных способов беспроводной передачи электроэнергии мало чем отличается от того, который использовал Фарадей. Одна резонансная медная катушка подключена к источнику питания, другая действует как приемник.

Видео работы беспроводного электричества с использованием двух катушек наглядно демонстрирует как простоту технологии, так и ее главную проблему — малый радиус действия. Кроме того, с его помощью невозможно передать большое количество энергии (катушки расплавятся), несмотря на то, что КПД составляет около 40% (об этом Тесла писал в 1899 году).

Однако нельзя сказать, что магнитная индукция не нашла своего применения. Сегодня технология активно используется для производства беспроводных зарядных устройств. Apple в 2022 году представила свои беспроводные зарядные устройства как нечто революционное, хотя этому новому продукту на самом деле более 100 лет.

Беспроводное электричество: популярные технологии

Помимо индукции, на которую производители электромобилей и гаджетов делают основные ставки, известны еще 3 метода: лазер, микроволновка, ультразвук. Ученые убеждены, что каждое из этих направлений может развиваться в будущем.

• Лазер. Энергия передается путем преобразования ее в луч, который направляется на фотоэлемент в приемнике. Таким образом может передаваться большое количество энергии, но эти самолеты разрушаются в атмосфере Земли, из-за чего большая часть (около 60%) энергии рассеивается. Но в безвоздушных пространствах технология вполне жизнеспособна. Вот почему компании, занимающиеся исследованием космоса, продолжают изучать лазерные технологии: в 2009 году НАСА даже провело конкурс с призовым фондом в 900 000 долларов для лазера WPT. Первое место занял Laser Motive: на 1 км и 0,5 кВт непрерывной передаваемой мощности. Несмотря на то, что, конечно, мишени достигли лишь 10% энергии, эксперимент был признан успешным.

• СВЧ. Теоретически передачу энергии радиоволн можно сделать направленной, используя полупроводники или лампы (циклотронные преобразователи энергии). Полупроводники сейчас активно используются во всем мире, но когда дело доходит до передачи большого количества энергии, необходимо использовать больше полупроводников. Это не только увеличивает стоимость проекта, но и появляется переизлучение, т.е находиться рядом с такими панелями небезопасно. Но полупроводниковые системы показали высокий КПД — более 80%. Это было продемонстрировано Уильямом Барауном в 1975 году, передав 30 кВт на расстояние более 1 км. Создателями циклотронного преобразователя энергии являются советские ученые Владимир Савин и Владимир Ванке, хотя его КПД не превышает 70-80%, надежность достаточно высока.

• Ультразвук. Технология была представлена ​​в 2011 году на выставке All Things Digital (D9). Студенты из Пенсильванского университета использовали ультразвуковой передатчик и приемник (преобразование захваченного электричества). Дальность действия составляет примерно 10 метров. Недостатки: между «узлами» должна быть прямая видимость, низкий КПД. Однако передаваемые ультразвуковые частоты не влияют на людей или животных.

Qi зарядка, открытый стандарт для беспроводной зарядки

В то время как некоторые из компаний, обещающих беспроводную передачу электрической энергии, всё еще работают над своими продуктами, уже существует стандарт Qi (произносится как «ци») зарядки, и уже доступны использующие его устройства. Консорциум беспроводной электромагнитной энергии (Wireless Power Consortium, WPC), созданный в 2008 году, разработал стандарт Qi для зарядки аккумуляторов. Данный стандарт поддерживает и индуктивные, и резонансные технологии зарядки.

При индуктивной зарядке электрическая энергия передается между катушками индуктивности в передатчике и приемнике, расположенными на близком расстоянии. Индуктивные системы требуют, чтобы катушки индуктивности находились в непосредственной близости и были выровнены друг с другом; обычно устройства находятся в непосредственном контакте с зарядной панелью. Резонансная зарядка не требует тщательного выравнивания, а зарядные устройства могут обнаружить и зарядить устройство на расстоянии до 45 мм; таким образом, резонансные зарядные устройства могут быть встроены в мебель или установлены между полками.

Логотип Qi, показанный на беспроводной зарядной панели Qimini

Наличие логотипа Qi означает, что устройство зарегистрировано и сертифицировано Консорциумом беспроводной электромагнитной энергии WPC.

В начале Qi зарядка обладала небольшой мощностью, около 5 Вт. Первые смартфоны, использующие Qi зарядку, появились в 2011 году. В 2015 году мощность Qi зарядки увеличилась до 15 Вт, что позволяет осуществлять быструю зарядку устройств.

Следующий рисунок от Texas Instruments показывает, что охватывает стандарт Qi.

Обзор технологий беспроводной передачи электрической энергии и их охват стандартом Qi

Совместимость с Qi гарантировано могут обеспечить только те устройства, которые перечислены в регистрационной базе данных Qi. В настоящее время там содержится более 700 продуктов. Важно понимать, что продукты с логотипом Qi были проверены и сертифицированы; и магнитные поля, используемые этими устройствами, не вызовут проблем для таких чувствительных устройств, как мобильные телефоны или электронные паспорта. Зарегистрированные устройства будут гарантировано работать с зарегистрированными зарядными устройствами.

Современное использование катушки Тесла

Самой популярной является демо-версия, которая позволяет увидеть электрическую дугу красивого фиолетового цвета и включить лампу без проводов. Однако иногда все же используется принцип катушки Тесла:

• В системах зажигания двигателя внутреннего сгорания. Он использует тот же принцип преобразования энергии в электрическую дугу. Только зажигание работает на низких частотах, а катушка Тесла работает на высоких частотах.
• Для питания люминесцентных и неоновых ламп. Хотя последнее чаще всего используется в качестве уловки.
• Для обнаружения дыр в вакуумных системах.

Как видите, изобретение еще не полностью разработано. Патент все еще находится на рассмотрении инвестора. Но, скорее всего, инвестора никогда не будет.

Принцип работы

Сегодня многие домашние электрики пытаются собрать трансформаторы тока, при этом не всегда понимая принцип работы трансформатора Тесла, из-за чего выходят из строя. Действительно, ТТ недалеко от обычного трансформатора.

Обмоток две: первичная и вторичная. При приложении переменного напряжения от внешнего источника к первичной обмотке вокруг нее создается магнитное поле или, как его еще называют, колебательный контур. Когда заряд пробивает искровой промежуток, энергия начинает течь через магнитное поле к вторичной обмотке, где образуется второй колебательный контур. Часть энергии, запасенной в цепи, будет представлена ​​напряжением. Его величина будет прямо пропорциональна времени формирования контура.

Поэтому в KT есть две подключенные схемы генератора, что является отличительной особенностью по сравнению с обычными трансформаторами. Их взаимодействие создает ионизирующий эффект, поэтому мы видим стримеры (молнии).

Стандартизованные умы

Великие мира сего понимают важность технологий и не хотят допускать смешения стандартов от разных производителей (как это было на заре компьютерной индустрии). Одним из первых Министерство внутренних дел и коммуникаций Японии решило принять стандарты беспроводной передачи энергии

Его варианты были предложены Toshiba, которая уже работает над разработкой, исследованием и стандартизацией стандартов беспроводного питания для бытовой техники. Инициативные группы надеются вывести готовую технологию на рынок в период с 2015 по 2020 годы. Стандартизация будет разделена на три этапа: первый предполагает разработку стандартов индуктивной связи: технология сможет загружать объекты на расстояние до несколько миллиметров на частоте в несколько сотен кГц, вторая стандартизирует метод индуктивной резонансной связи, разработанный в Массачусетском технологическом институте для зарядки объектов на расстоянии нескольких метров от источника… Третья фаза стандартизирует приемники для обеспечения высокой энергоэффективности и, на основе этого стандарта, производители самого разнообразного оборудования смогут разрабатывать новые устройства.

Зарядка для хвоста

Беспроводная передача энергии уже получила применение в некоторых областях. Так, большинство электрических зубных щеток давно используют метод индукционного связывания по вполне понятным причинам — любые контакты с водой могут привести к короткому замыканию, а сгоревшая по вине зубной щетки квартира вряд ли добавит популярности производителям. Конструкция в меру проста, как и все гениальное: в нижней части щетки размещается одна магнитная катушка, в подставке — вторая. При установке щетки в подставку магнитные поля катушек начинают взаимодействовать и заряжать встроенные аккумуляторы.

Выставка CES 2009

в начале 2009 года пестрила решениями на основе индукционного связывания. Многочисленные производители решили упростить процесс подключения к зарядным устройствам — то есть мы постепенно все же переходим в беспроводную эпоху. Отличным примером новой концепции можно считать наработки компании
Powermat
, которая представила целую линейку устройств для беспроводной зарядки различной техники. Powermat предлагает всем желающим купить индукционный коврик и приемники для самых популярных устройств — док-станцию для
Apple iPod
, корпуса для смартфонов, заглушки для ноутбуков и цифровых камер. После подключения приемника остается положить заряжаемое устройство сверху коврика — и все, зарядка началась. Конечно, от подключения самих ковриков Powermat к розеткам питания избавиться не удастся, но по крайней мере количество проводов сократится втрое.

Еще одним открытием выставки CES 2009 стала технология eCoupled

, созданная компанией
Fulton Innovation
. Уже в этом году на рынке появятся различные рабочие инструменты (дрели, отвертки и даже фонарики) с бесконтактными док-станциями. Все это, конечно, хорошо и здорово, но назвать индукционное связывание идеальной технологией для ближайшего будущего не получится. Да, пользователи самой разной мобильной техники избавятся от необходимости подключать провод к самим девайсам, смогут положить сразу все плееры и фотоаппараты на один-единственный коврик и начать зарядку, избавившись от охапки проводов, — но до рая на Земле все равно еще далеко. Хотелось бы заходить в квартиру, кидать телефон на диван, ставить сумку с камерой на пол и раскрывать ноутбук на столе, автоматически начиная зарядку — безо всяких там проводов и дополнительных устройств. Но, увы, пока нам остается лишь ждать пришествия более продвинутой технологии, способной увеличить радиус действия беспроводных зарядников.

Если верить команде из Массачусетского технологического университета (MIT), состоится это совсем скоро. Над исследованиями в области индукционно-резонансного связывания там работает группа ученых под управлением профессора физики Марина Солячича. Говорят, как-то раз господин Солячич проснулся ночью из-за того, что его сотовый телефон разрядился и начал подавать назойливые сигналы, и одолела его бессонница. Всю ночь Марин с раздражением думал о беспроводном зарядном устройстве, которое бы приступало к зарядке телефона, как только он бы заходил домой, — и на следующее же утро приступил к разработке такого устройства. На основе метода индукционно-резонансного связывания, разумеется.

«Проще всего объяснить этот метод так, — рассказывает господин Солячич. — Представьте себе ряд бокалов с вином, наполненных до разного уровня (таким образом, все они вибрируют на разной частоте). Если певец задает ноту, которая совпадает с частотой одного из бокалов, он поглощает звук и начинает вибрировать. Все остальные при этом остаются неподвижными. Точно так же и магнитное поле связывается и начинает передавать энергию лишь магнитному полю на такой же частоте».

Используя метод резонанса, команда Солячича собрала установку с двумя настроенными на одинаковую частоту катушками на расстоянии двух метров друг от друга. Одну из катушек подключили к источнику энергии, она начала передавать энергию на вторую и легко «подожгла» 60-ваттную лампу без использования проводов! Ученые уже предложили самую эффективную комбинацию в рамках используемого метода: две медные катушки диаметром 60 см и магнитное поле на частоте 10 МГц смогут обеспечить беспроводную передачу энергии на расстояние до 2 метров. Технологию назвали WiTricity

(от двух английских слов — «Wireless» и «Electricity»). Что ж, остается только довести технологию до ума — в данный момент команда уже ищет пригодный материал для уменьшения диаметра катушек и повышения эффективности.

Об этом редко пишут в учебниках истории, но на заре эры электричества произошла самая настоящая «война токов» с участием лучших умов своего времени и немалых финансовых вложений. Так называемый «король изобретателей» Томас Эдисон вступил в противостояние с Николой Теслой по поводу использования постоянного или переменного тока.

С самого начала своей деятельности Никола Тесла ратовал за использование переменного тока в генераторах и электродвигателях. Изобретатель обладал достаточными математическими знаниями и мог подтвердить все преимущества от использования переменного тока. Однако теоретик и экспериментатор Томас Эдисон к тому времени уже успел «захватить Америку» при помощи генераторов и ламп на основе постоянного тока — его технологии работали при малой нагрузке и в общем-то всех устраивали. Разумеется, американскому изобретателю не хотелось остаться в стороне и потерять свою славу — тем более что вызов ему бросил «какой-то сербский иммигрант». Эдисон сделал все возможное, чтобы опорочить имя Николы Теслы и унизить его изобретения: распространял информацию о частых фатальных экспериментах с переменным током, выступал с резкими заявлениями, публично убивал животных при помощи тока и даже тайно заплатил Гарольду Брауну за создание первого в истории электрического стула.

Судя по всему, Никола Тесла с его спокойным характером не обращал особого внимания на выходки Эдисона. Быть может, именно это привело к тому, что создатели огромной гидроэлектростанции Ниагара-Фоллс выбрали переменный ток Теслы в качестве единственного генерируемого и передаваемого типа энергии. Когда в ноябре 1896 года Ниагара-Фоллс успешно передала электричество от гидроэлектрических генераторов в индустриальный район Буффало, Томас Эдисон окончательно осознал свой провал. Однако два изобретателя так и остались кровными врагами до конца жизни — они отказались разделить на двоих Нобелевскую премию, предложенную им за совместный вклад в развитие электричества, а позднее Никола Тесла отказался и от медали Эдисона за вклад в науку.

Самостоятельное изготовление

Итак, самый простой способ сделать катушку Тесла для чайников своими руками. Часто в Интернете можно встретить цифры, превышающие стоимость хорошего смартфона, но на самом деле из кучи мусора в гараже можно собрать трансформатор на 12В, который позволит весело провести время, включив лампу без использования розетки.

Какой должен быть результат

требуется эмалированный медный провод. Если вы не можете найти лак для ногтей, вам также понадобится обычный лак для ногтей. Диаметр проволоки может варьироваться от 0,1 до 0,3 мм. Для поддержания количества оборотов требуется около 200 метров. Его можно намотать на обычную ПВХ трубу диаметром от 4 до 7 см. Высота от 15 до 30 см. Также потребуется приобрести транзистор, например, D13007, пару резисторов и проводов. Было бы неплохо иметь компьютерный кулер, охлаждающий транзистор.

Теперь можно приступить к сборке:

1. отрезать 30 см трубы;
2. оберните его нитью. Изгибы должны быть максимально плотно прилегающими друг к другу. Если проволока не покрыта эмалью, обработайте лаком. Сверху трубы проденьте конец проволоки через стену и приподнимите так, чтобы он выступал на 2 см выше установленной трубы.;
3. сделать платформу. Подойдет обычная плита ДСП;
4. можно сделать первую катушку. Нужно взять медную трубку диаметром 6 мм, согнуть ее на три с половиной оборота и закрепить на каркасе. Если диаметр трубы меньше, витков должно быть больше. Его диаметр должен быть на 3 см больше, чем у второй катушки. Прикрепите к каркасу. Сразу закрепляем вторую катушку;
5. есть несколько способов создать тор. Можно использовать медные трубы. Но проще взять обычную алюминиевую гофру и металлическую перекладину для крепления к выступающему концу провода. Если проволока слишком хрупкая, чтобы удерживать тороид, можно использовать гвоздь, как на изображении ниже;
6. не забудьте защитное кольцо. Однако, если один конец первичной цепи заземлен, от него можно отказаться;
7. когда конструкция готова, транзистор подключается по схеме, подключается к радиатору или кулеру, затем необходимо подать питание, и установка завершена.

Первую катушку можно сделать плоской как на фото
В качестве блока питания для установки многие используют обычную коронку Durasel.

Трансформатор Тесла своими руками, простейшая схема

Источники

• https://lightika.com/raznoe/besprovodnaya-peredacha-energii.html
• https://amperof.ru/teoriya/besprovodnaya-peredacha-elektroenergii.html
• https://uk-parkovaya.ru/secrets/wires/3-sposoba-besprovodnoj-peredaci-energii-tesla-kak-vsegda-byl-prav-lazery-mikrovolny-i-katuski-induktivnosti.html
• https://domikelectrica.ru/3-sposoba-peredachi-energii-bez-provodov/
• https://www.asutpp.ru/besprovodnaya-peredacha-elektrichestva.html
• https://geekometr.ru/statji/besprovodnoj-sposob-peredachi-elektroenergii.html
• https://mentamore.com/covremennye-texnologii/besprovodnoe-elektrichestvo.html
• [https://radioprog.ru/post/152]

[свернуть]

Беспроводное электричество взаимодействует с металлом

На самом деле существующие зарядки чуть сложнее, чем просто набор катушек: есть ещё несколько уровней защиты на уровне протокола (да-да, зарядник и гаджет общаются между собой) и схемотехники.

Один из уровней блокирует включение зарядки при попадании металлического предмета на электромагнитный передатчик.

Оказавшись над передающей индукционной катушкой, металл неизбежно начнёт нагреваться. Например, нескольких минут хватит, чтобы та же скрепка раскалилась и начала плавить пластик.

В MagSafe и автомобильных держателях магниты и их ответные металлические части лежат в стороне от катушки, поэтому взаимодействия нет.

В более сложных системах сначала нужно отладить очень точное позиционирование. Для автомобиля, дрона или розетки такое маловероятно.

Теоретически, можно подобрать частоту передачи, при которой взаимодействие будет минимальным (потребуются хитрые катушки).

Прототип решения существует и много лет тестируется. Но до серии ещё не дошло, и вряд ли это произойдёт в обозримом будущем: стоимость высокая, сложность изготовления и работы повышена.

Ко всему прочему, процесс зарядки более нестабилен.