Беспроводная передача электроэнергии

Жданович Дмитрий, Яровая Марина, Ковалевская Анастасия,

11 «ФМ-3» класс

Идею передачи электроэнергии без помощи проводов начали развивать ещё в XIX веке. Никола Тесла, Александр Попов и иже с ними посвятили много часов своего труда на исследования в этой области. И даже добились кое-чего. Но несмотря на всё это, уже как два столетия ученые и изобретатели всё ещё трудятся над этим вопросом.

Представьте, будто бы вы имеете доступ к электричеству в любой момент времени и в любой точке пространства. Без всяких проводов и розеток. Всё вокруг вас напоено энергией… Сделайте глубокий вздох и начните напитывать этой энергией своё золотое ядро. Можно не беспокоиться, что телефон окажется разряженным в самый неподходящий момент. Можно перестать бояться, что твой электромобиль заглохнет, а провода с зарядки срезали для сдачи в цветмет. Наконец-то можно забыть про постоянную тревогу, что аккумулятор сядет прямо на улице и твоя киборжья маскировка полетит ко всем чертям. Прекрасный, идеальный мир! И человечество к нему потихоньку подбирается. Например, беспроводные зарядки для телефона уже существуют.

Так вот, вернемся из мечтаний в суровый реальный мир. Как же люди сейчас решают проблему передачи электроэнергии на различные расстояния без проводочков? На данный момент существуют три различных подхода:

1) С помощью катушек индуктивности;

2) С помощью лазеров;

3) С помощью волн особой частоты;

Давайте разберёмся в чём особенности каждого.

Итак, катушки индуктивности. В индуктивной связи (электромагнитной индукции или индуктивной передачи энергии), мощность передается между витками проволоки с помощью магнитного поля. Катушки передатчика и приемника вместе образуют трансформатор. Переменный ток в катушке передатчика (L1) создает колебательное магнитное поле (В) по закону Ампера. Магнитное поле проходит через приемную катушку (L2), где она индуцирует переменный ЭДС по закону индукции Фарадея, который создает переменный ток в приемнике. Индуцированный переменный ток может либо управлять нагрузкой непосредственно, либо быть устранен с постоянным током с помощью выпрямителя в приемнике, что приводит к увеличению нагрузки. Несколько систем, такие как электрическая зубная щетка зарядных стендов, работу при 50/60 Гц, так переменный ток от сети подаётся непосредственно на катушку передатчика, но в большинстве систем электронный генератор генерирует высокочастотный переменный ток, который приводит в движение катушки, поскольку эффективность передачи улучшается с частотой.

Передаваемая мощность увеличивается с частотой взаимной индуктивности между катушками, которая зависит от их геометрии и расстояния между ними. Широко используемым показателем качества является коэффициент связи. Этот безразмерный параметр равен доле магнитного потока через катушку передатчика, который проходит через катушку приемника, когда L2 разомкнут. Если две катушки находятся на одной и той же оси и близко друг к другу, так что все от магнитного потока проходит насквозь, а эффективность линии связи приближается к 100%. Чем больше расстояние между катушками, тем больше магнитного поля от первой катушки не попадает во вторую катушку за секунду, а эффективность линий связи уменьшается, приближаясь к нулю на больших расстояниях. Эффективность линии связи и передаваемая мощность примерно пропорциональны. Для того чтобы достичь высокой эффективности, катушки должны быть расположены очень близко друг к другу, длина диаметра колец катушек (как правило в сантиметрах) должна быть сопоставима с длиной осей катушек. Широкие, плоские формы катушек обычно используются, чтобы увеличить сцепление. Феррит «поток удержание» ядра могут ограничить магнитные поля, улучшая сцепление и уменьшая помехи близлежащей электроники, но они тяжелые и громоздкие, поэтому маленькие беспроводные устройства часто используют катушки с воздушным сердечником.

Обычная индуктивная связь может достичь высокой эффективности, когда катушки очень близки друг к другу. В большинстве современных индуктивных систем используется резонансный трансформатор, в котором эффективность повышается при использовании резонансных контуров. Это может обеспечить более высокую эффективность на больших расстояниях, чем нерезонансной индуктивной связи.