ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ЛУГАНСКОЙ НАРОДНОЙ РЕСПУБЛИКИ
«БРЯНКОВСКАЯ ГИМНАЗИЯ»
ПРОЕКТНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ
В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ ФИЗИКИ
на тему: «Беспроводная подача электричества»
Учителя физики ГОУ ЛНР «Брянковская гимназия»
Клименко Ольги Анатольевны
Брянка–2022
СОДЕРЖАНИЕ
Введение .....................................................................................................................3
Раздел 1. История развития беспроводного электричества....................................5
1.1. [Отец] беспроводного электричества..............................................................5
1.2. Никола Тесла о Мировой системе беспроводной передачи электричества.8
Раздел 2. Беспроводное электричество сегодня....................................................17
2.1. Методы беспроводной передачи электричества..........................................17
2.2. Беспроводное электричество в быту.............................................................24
Раздел 3. Трансформатор Тесла..............................................................................27
3.1. Принцип работы трансформатора Тесла.......................................................27
3.2. Сборка рабочей модели трансформатора Тесла...........................................28
Заключение................................................................................................................30
Список используемой литературы..........................................................................31
Приложения...............................................................................................................32
ВВЕДЕНИЕ
И в данной работе максимально чётко постараюсь дать представление, на каком уровне в данный момент находится идея о беспроводной передаче электроэнергии.
РАЗДЕЛ I. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ БЕСПРОВОДНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА
1.1 [Отец] беспроводного электричества
Никола Тесла (1856-1943 гг.) – сербский ученый, инженер и изобретатель, который внес неоценимый вклад в мировую науку. Он имеет около 150 запатентованных изобретений! По мнению современных биографов, Никола Тесла – человек, который изобрел 20-ый век. Благодаря его теоретическим работам, а также патентам, произошел второй этап технической революции.
Основные интересы изобретателя лежали в сфере радиотехники и электротехники. Он занимался изучением свойств магнетизма и электричества, созданием и усовершенствованием устройств, работающих на переменном токе. Большинство его исследований связаны с беспроводной передачей электричества.
Жизнь изобретателя Николы Теслы непростой. Как и многим другим ученым-изобретателям, ему пришлось столкнуться с многочисленными трудностями. Гениальные задатки Теслы впервые проявились в высшем училище в городе Грац, где студент высказал свое недовольство и указал на несовершенства электродвигателей на основе постоянного тока. Идеи молодого ученого сразу раскритиковал профессор Яков Пешль – в своей лекции перед курсом он открыто заявил, что электродвигатели на основе переменного тока невозможны. В тот же день Тесла торжественно поклялся, что переубедит наставника и посвятит свою жизнь изучению свойств электричества и магнетизма.
После окончания учебы Николе пришлось переехать назад в Госпич и устроиться преподавателем в гимназию – после смерти отца в 1879 году финансовое положение семьи сильно пошатнулось. Дальнейшие попытки поступить в высшее учебное заведение обернулись провалом, не было денег.
Еще несколько лет Тесла работал инженером-электриком в Венгерской правительственной телеграфной компании в Будапеште и даже сумел исправить ряд ошибок и недоработок при постройке электростанции для железнодорожного вокзала в Страсбурге. Трудовые будни, конечно, мешали работе над основной мечтой тех лет – электродвигателем на основе переменного тока: Тесла пытался заниматься своими разработками параллельно, но времени не хватало. Работающий прототип электродвигателя на переменном токе был показан нескольким предпринимателям, но так никого и не заинтересовал. Разочарованный Тесла собирался даже уехать в Петербург, где трудились выдающиеся физики Павел Яблочков, Дмитрий Лачинов и Владимир Чиколев (работы русских изобретателей были известны во всем мире, цитировались в научных журналах на разных языках). И, возможно, судьба ученого сложилась бы иначе, если бы один из администраторов Continental Edison Company, Чарльз Бэтчелор, не уговорил его поехать в США. В своей записке величайшему американскому изобретателю Томасу Эдисону господин Бэтчелор сказал, что отпустить Николу в Россию было бы непростительной ошибкой, назвал его вторым после Эдисона великим человеком.
Эффект записка произвела ровно обратный: отношения Эдисона с Теслой были испорчены еще до их знакомства. Говорят, что американский гений увидел серьезного конкурента своему бизнесу и сделал все возможное, чтобы унизить его труды: холодно отзывался о его работах и даже публично критиковал их. Окончательным разрывом отношений стало предложение Эдисона весной 1885 года – изобретатель предложил Николе конструктивно улучшить созданные им машины постоянного тока и пообещал $50 тыс. в случае успеха. Воодушевленный Тесла представил целых 24 значительно доработанных машины, новый коммутатор и регулятор с улучшенными эксплуатационными качествами, но своих денег так и не дождался – Эдисон лишь посмеялся над младшим коллегой и посоветовал ему учиться понимать американский юмор. Поступок Эдисона стала началом вражды двух гениев, которая так и не прошла с течением времени.
Самостоятельная работа над дуговыми лампами для уличного освещения не принесла Тесле ни денег, ни известности. Не получив финансирование для новых изобретений, Николе приходилось вести нищенский образ жизни и перебиваться на подсобных работах вроде рытья канав. Изобретение дуговой лампы пригодилось чуть позже, когда по удачному стечению обстоятельств Тесла смог открыть собственную конторку Tesla Ark Light Company и начать заниматься уличным освещением. Дела пошли в гору, под офис было снято помещение на Пятой авеню в Нью-Йорке. Расположенная неподалеку компания Эдисона и Tesla Ark Light Company развязали острую борьбу, получившую название [война токов].
Очень плодотворным периодом в жизни Теслы считается промежуток с 1888 года по 1895-й, когда ученый занимался исследованием магнитных полей и высоких частот в своей лаборатории. В 1885 году офис на Пятой авеню сгорел дотла, захватив с собой самые последние наработки изобретателя: механический осциллятор, новый метод электрического освещения, новый метод беспроволочной передачи сообщений на далекие расстояния и метод исследования природы электричества. Тесла беспечно заявил, что восстановит свои изобретения по памяти.
Наиболее значимое событие произошло после переезда Теслы в городок Колорадо Спрингс – изобретателя пригласила местная электрическая компания, а владелец отеля «Уолдорф-Астория» профинансировал постройку лаборатории. Результатом работы стал трансформатор, соединенный с металлическим шаром на выдвигающемся стержне при помощи обмотки. Разработка позволила изучить эффект стоячих электромагнитных волн, который обычно вызывают грозовые разряды в атмосфере, – именно на его основе и была придумана технология передачи энергии без проводов. Разумеется, изобретатель тут же начал экспериментировать с созданием искусственных молний: электричество в несколько тысяч вольт, пропускаемое через созданную им конструкцию, преобразовывалось в несколько миллионов вольт, источник энергии получался мощнейшим.
К сожалению, для дальнейшей работы имеющихся в распоряжении ресурсов не хватало. Исследования должны были продолжиться уже в Нью-Йорке, куда изобретателя пригласил промышленник Джон Морган для дальнейшей работы, и Тесла даже спроектировал 47-метровую деревянную башню с медным шаром наверху, конструкция позволила бы продолжить работу. Но строительство затянулось из-за проблем с финансированием: когда Морган узнал, что Тесла намерен заниматься беспроводной передачей энергии вместо того, чтобы развивать электрическое освещение, он разорвал контракт. В итоге проект пришлось закрыть, а землю продать для того, чтобы расплатиться с кредиторами.
В первой половине XX века Тесла предложил метод для радиообнаружения подводных лодок, подумывал о создании супероружия для разрушения целых армий – причиной столь странных мыслей стал конфликт 1914 года, когда его родная Сербия оказалась в центре военных событий, повлекших за собой начало Первой мировой войны. В 1934 году Тесла опубликовал статью, в которой рассмотрел возможность получения сверхвысоких напряжений путем зарядки шарообразных емкостей статическим электричеством. Статья вызвала большой резонанс в научных кругах.
За время своей работы Тесла получил огромное множество патентов на всевозможные технологии, широко используемые в наше время, однако дело всей жизни – эффективная передача энергии по воздуху – так и не получило дальнейшего развития. Ученый добился успехов в экспериментах с переменным током, создал высокочастотный электромеханический генератор и высокочастотный трансформатор, разработал правила техники безопасности при работе с током. Кроме того, Тесла проводил эксперименты и на своем организме: он выяснил, что болевое воздействие тока перестает ощущаться при частоте свыше 700 Гц, и на основе этого открытия разработал электротехнические аппараты для медицинских исследований. К работам Теслы относят и эксперименты с высокочастотными токами большого напряжения, которые позволяют чистить поверхность кожи – убирают мелкую сыпь, очищают поры, уничтожают микробов (данный метод используется в электротерапии).
В 1888 году Никола Тесла дал строгое определение так называемым вращающимся магнитным полям – через семь лет этот принцип лег в основу проекта крупнейшей в то время Ниагарской ГЭС. Изобретателю удалось получить патент способа беспроводной передачи токов, которые могут быть использованы в радиосвязи. Наконец, контуры Теслы используются для получения искусственных молний… Но, если верить слухам, все самые интересные изобретения гений от мира электротехники унес с собой в могилу.
1.2. Никола Тесла о Мировой системе беспроводной передачи электричества
Ниже приводим к вашему вниманию для рассмотрения статью Николы Теслы, опубликованную в «Telegraph and Telephone Age» 16 октября 1927 г:
«Передача энергии без проводов – не теория и не просто вероятность, как это представляется большинству людей, но явление, которое я экспериментально демонстрировал в течение ряда лет. Сама идея появилась не сразу, а в результате длительного и постепенного развития и стала логическим следствием исследований, которые были убедительно продемонстрированы в 1893 году, когда я впервые представил миру схему моей системы беспроводной передачи энергии для всевозможных целей. В нескольких показательных лекциях, прочитанных перед научными обществами в течение предыдущих трех лет, я объяснял, что необязательно использовать два провода для передачи электрической энергии, что с таким же успехом можно использовать только один. Мои опыты с токами высокой частоты были первыми за всё время, проведенными публично, и они вызвали острейший интерес по причине тех возможностей, которые они открывали, а также поразительной природы самих явлений. Немногие из специалистов, знакомых с современной аппаратурой, по достоинству оценят трудность задачи, когда у меня в распоряжении были примитивные устройства, и в каждом эксперименте требовалась точная настройка на резонанс.
Когда была доказана возможность передачи энергии посредством одинарного провода без обратного, мне пришло в голову, что, вероятно, можно обойтись и без того единственного провода, а для перемещения энергии от передатчика к приемнику можно использовать землю.
Высокочастотные динамо-машины и катушка Теслы
Очевидно, что токи, которые обычно применялись в экспериментальных лабораториях и в промышленности, не годятся для высокочастотных машин, и мне пришлось создать специальные генераторы и преобразователи для получения импульсов требуемой частоты.
Сначала я усовершенствовал высокочастотные динамо-машины двух типов, одну с возбуждением магнитного поля постоянным током, и другую, в которой электромагнит возбуждается от переменных токов, отличающихся по фазе и генерирующих вращающееся магнитное поле. Обе из них нашли свое применение в системе беспроводного вещания. Первая представленная мной машина давала 90 процентов КПД, но она должна была работать в обогащенной водородом среде или в разреженном воздухе, чтобы минимизировать возникающие потери из-за сопротивления воздуха и уменьшить оглушительный шум.
Чтобы преодолеть ограничения, выявившиеся в работе таких машин, я сосредоточил свои усилия на усовершенствовании специального преобразователя, состоявшего из настроенных в индуктивной зависимости нескольких контуров, которые получали первичную энергию от колебательных разрядов конденсаторов. Этот аппарат, изначально названный моим именем и считавшийся, по мнению ведущих ученых, моим лучшим достижением, используется ныне во всем мире в каждом радиопередатчике и радиоприемнике. Он дал мне возможность получать токи любой желаемой частоты, электродвижущей силы и в любом количестве и вызывать огромное множество электрических, химических, термальных, световых и других явлений, генерировать рентгеновские, катодные и другие лучи трансцендентной интенсивности. Я использовал его в исследованиях состава вещества и радиоактивности, результаты которых публиковались в 1896-1898 годах в «Electrical Review». Эти исследования предшествовали открытию радия мадам Складовской и Пьером Кюри и доказали, что радиоактивность есть обычное свойство вещества и что оно излучает маленькие частицы различных размеров, обладающие огромными скоростями, – представление, воспринимавшееся с недоверием, но в итоге признанное истинным. Аппарат нашел бессчетное число применений, став для некоторых пользователей незаменимым.
Когда я думаю о самых первых своих катушках, которые были не более чем забавой от науки, то последовавшие за ними разработки представляются мне абсолютной удачей.
Усиливающий передатчик и резонанс земли
Хотя я и был с самого начала абсолютно убежден, что в конечном итоге успех будет достигнут, это произошло не ранее, чем была разработана схема путем последовательных усовершенствований так называемого усиливающего передатчика, что стало для меня убедительным свидетельством осуществимости беспроводной передачи энергии в больших количествах для всевозможных промышленных целей.
Главное открытие, которое принесло мне полное удовлетворение, поскольку воплотило мой замысел, было сделано в 1899 году в Колорадо-Спрингс, где я проводил испытания генератора мощностью в сто пятьдесят киловатт и убедился, что при определенных условиях ток приобретает способность проходить сквозь весь земной шар, достигая противолежащей точки, и возвращаться к исходной точке, при этом сила тока не уменьшается. Полученный результат оказался столь невероятным, что сначала это открытие почти ошеломило меня. В мгновение ока я осознал, что с помощью должным образом настроенной аппаратуры на передающих и принимающих станциях можно перемещать энергию в практически неограниченных количествах через землю на любое расстояние, ограниченное лишь физическими размерами земного шара, с коэффициентом полезного действия, достигающим девяноста девяти с половиной процентов.
Способ прохождения токов от передатчика через земной шар является в высшей степени экстраординарным, если принять во внимание характер распространения электризации поверхности. На старте волна имеет теоретически беспредельно большую скорость, которая начинает снижаться сначала очень быстро, а затем с меньшей интенсивностью, до тех пор, пока расстояние не составит около шести тысяч миль, после чего она продолжает двигаться со скоростью света. С этого момента она опять увеличивает скорость, сначала медленно, затем всё быстрее, достигая противолежащей точки со скоростью, приближающейся к бесконечно большой величине. Такую закономерность движения можно объяснить тем, что на поверхности земли волны исходят через равные промежутки времени, распространяясь на равные площади, но необходимо иметь в виду, что ток проникает глубоко внутрь Земли, а воздействие, оказываемое на приемные устройства, носит такой характер, как если бы весь поток локализовался на земной оси, соединяя передатчик с противолежащей точкой. Таким образом, средняя поверхностная скорость составляет около 471200 километров в секунду, что на пятьдесят семь процентов больше, чем скорость так называемых радиоволн, и эти волны, если таковые существуют, должны распространяться со скоростью света. Ту же константу обнаружил видный американский астроном капитан Дж. Т.Т., проводя математические исследования мельчайших частиц эфира, которые он называет эфиронами. Но если – в свете его теории – эта скорость является физической реальностью, то распространение токов по земной поверхности более напоминает мимолетное скольжение лунной тени по земному шару.
Большинству людей, занятых практическим делом, будет трудно оценить или даже сформулировать адекватное представление об интенсивности воздействия и о получаемой энергии, исходя из той части моей работы, которая вошла в историю. У меня есть все основания считать себя одним из самых удачливых людей, так как я постоянно испытываю чувство невыразимого удовлетворения, оттого что моя система переменного тока применяется повсеместно для передачи и распределения тепла, света и электроэнергии, а также оттого что моя беспроводная система со всеми ее основными свойствами применяется во всем мире для передачи информации. Но мои новаторские работы в последней из упомянутых областей всё еще понимаются совершенно превратно.
«Мировая система»
С тех пор как в 1899 году началось строительство моей первой энергетической установки, я постоянно высказывался относительно этого проекта и планов, которые предварительно формулировал через печать в следующих изданиях: «Electrical Review», «Electrical World», «Electrical Experimenter», «Science and Invention» и других, особенно в «Century Magazine» за июнь 1900 года, в котором я опубликовал пространную статью «Проблемы увеличения энергии человечества», теперь некоторые обстоятельства требуют разъяснений. Во-первых, коренное различие между применяемой сейчас трансляционной системой и системой, которую я надеюсь ввести, состоит в том, что в настоящее время передатчик излучает энергию во всех направлениях, тогда как в разработанной мной системе в любую точку Земли передается только силовое поле, а энергия как таковая перемещается по определенной, заранее обусловленной траектории. Поразительный факт: энергия перемещается в основном по кривой, то есть по кратчайшему пути между двумя точками на поверхности земного шара и достигает приемного устройства без малейшего рассеивания, так что приемник улавливает несравнимо большее количество [энергии], чем это возможно при использовании излучений. Таким образом, я предложил идеальный способ передачи энергии в любом желаемом направлении, намного более экономичный и не имеющий таких качественных или количественных ограничений, какие неизбежно повлекло бы за собой применение рефлекторов.
Моя установка отличается еще и тем, что она полностью основана на резонансе, в то время как сейчас резонанс используется главным образом для усиления во вспомогательных устройствах, состоящих в основном из разного рода вакуумных трубок, которые доведены до совершенства. Фундамент к их использованию заложил сэр Уильям Крукс, который в 1876 году обнаружил, что раскаленный проводник испускает наэлектризованные частицы. В 1882 году молодой французский электротехник по фамилии Висьер заметил, что от нити лампы накаливания исходит электрический ток, и произвел тщательные измерения с помощью специально подготовленных ламп, некоторые из которых я в то время имел возможность наблюдать в Иври-сюр-Сен, пригороде Парижа. Но эти явления не находили технического применения до тех пор, пока в 1892 году я не создал датчик вакуумных трубок, чувствительность которого была выше, чем у любых других известных мне образцов. С тех пор был достигнут поразительный прогресс, но неприменение современных вакуумных детекторов и усилителей задерживает продвижение вперед в нужном направлении, и множество проблем в радиовещании объясняется именно этой причиной. До совсем недавнего времени переданным волнам не хватало однородности, что делало невозможной точную настройку. Этот недостаток отчасти устраняется управлением с помощью кристаллов кварца, и теперь впервые стало возможным проводить значительные усовершенствования с целью улучшения эксплуатационных качеств.
Одно из моих первых изобретений – электромеханический способ генерирования изохронных (равномерных) колебаний, и я с большим успехом применял его во многих случаях. Применение этого способа для управления существующими установками дает значительные преимущества, но, несмотря на это и на другие усовершенствования, изменение в устройстве эксплуатируемого оборудования и в способе радиовещания с каждым днем становится всё более насущным, и поэтому я настойчиво продолжаю внедрение своей «Мировой системы» с ее высокоэффективными радиопередатчиками новейшей конструкции и элементарно простыми приемными устройствами. В моих аппаратах синхронность доведена до такого совершенства, а настройка настолько точна, что в процессе передачи речи, изображений и при выполнении других подобных операций частота, или длина, волны изменяется, если требуется, лишь в очень незначительных пределах, не превышающих одной сотой процента. Электростатические явления и все другие помехи полностью устранены, и никакие погодные, сезонные и внутрисуточные изменения не оказывают влияния на эксплуатационные качества. Эта установка наилучшим образом подходит для «Всемирной радиотелефонной и радиотелеграфной связи», поскольку позволяет поддерживать практически постоянную силу тока в передатчике, а управление осуществляется с помощью простого микрофона без применения существующих сейчас хитроумных приспособлений. Метод телеграфии позволяет осуществлять одновременную передачу любого целесообразного количества не интерферирующих (не смешивающихся) сообщений, при этом скорость передачи достигает многих тысяч слов в минуту. Те же принципы применимы и к проводному, и к кабельному управлению. В 1903 году я предложил Западному союзу и Почтовой телеграфной компании такую многоканальную передачу для их линий связи, но не получил поддержки главным образом потому, что их деловые операции не предусматривали такого большого объема передач. Спустя некоторое время моя усовершенствованная аппаратура была представлена как [Проводная радиосвязь] – совершенно несоответствующее название, так как волны, излучаемые проводом, безвозвратно рассеиваются и не оказывают никакого воздействия на приемник.
Мой проект строительства энергетической установки доведен до стадии осуществления, но всё еще не могу сказать, когда начнутся практические работы. Уже нет тех трудностей, что стояли передо мной с самого начала, так как в то время я был один; теперь многие убедились в целесообразности и осуществимости моего предприятия. Нет нужды говорить, что я делаю всё возможное, чтобы как можно скорее представить миру свое лучшее и наиболее значительное изобретение — совершенно безукоризненное и не имеющее слабых мест. Я наметил ряд участков, которые представляются вполне подходящими для этой цели, но более всего мне хочется осуществить передачу энергии от Ниагарского водопада, где впервые успешно заработала моя установка переменного тока.
Важнейшее применение беспроводная энергия найдет, несомненно, в запуске летательных аппаратов, энергоснабжение которых можно легко осуществлять без соединения на корпус, так как, несмотря на то, что токи в своем движении притягиваются к земле, электромагнитное поле создается в окружающей ее атмосфере. Если аэроплан имеет проводники или контуры, точно настроенные и должным образом расположенные, энергия будет отобрана этими контурами, как это произошло бы с жидкостью, стекающей в проделанное в контейнере отверстие. На промышленной установке большой мощности таким способом можно получать достаточно энергии для приведения в движение каких бы то ни было летательных аппаратов. Я всегда считал это наилучшим и рассчитанным на долгое время решением проблемы полетов. Не потребуется никакого топлива, так как используется легкий электродвигатель с большим числом оборотов. Тем не менее, ускоряя последовательный ход развития, я разрабатываю новый тип летательного аппарата, который, как мне кажется, удовлетворит насущную потребность в безопасном, небольшом и компактном [воздушном извозчике], способном осуществлять вертикальные взлет и посадку.
Телевидение, каким я его замышлял в 1893 году, будет еще одним, чрезвычайно полезным и своевременным научно-техническим новшеством. В то время я выдвинул идею, что создание четкого мысленного образа внешних объектов сопровождается рефлекторным действием на сетчатку глаза, что дает возможность читать мысли и даже проецировать представленные образы на экран и делать их видимыми для зрителей. Это привело бы к последствиям, влияние которых на человеческие взаимоотношения не поддается оценке, но эта идея не может быть реализована до тех пор, пока не будет найден способ понять строение сетчатой оболочки. Постоянные размышления на эту тему привели меня к созданию аппарата, моментально передающего изображение без применения каких-либо подвижных элементов, и к 1900 году я уже решил три из стоявших передо мной задач, а именно: индивидуализировать и обособить очень большое количество каналов, или «нервов»; передать на приемное устройство достаточное количество энергии и сделать зрительное восприятие движущихся образов независимым от расстояния. В конечном счете я также надеюсь преодолеть недостатки селенового фотоэлемента с помощью специального прибора.
Меня, однако, более всего интересует совершенствование радиовещания, которое сейчас осуществляется с негодной аппаратурой и коммерчески невыгодной технологией. Необходимо в значительной степени улучшить передатчики и упростить приемники, а при беспроводном способе передачи энергии для всевозможных целей можно использовать опыт телеграфных, телефонных и энергетических компаний, хотя способы их различны, но характеры схожи.
Таким образом, ещё в прошлом столетии зародилась идея о беспроводной системе передачи электричества. Фундамент дальнейших разработок в данной области заложил сербский ученый, инженер и изобретатель Никола Тесла, его вклад в мировую науку неоценим.
РАЗДЕЛ 2. БЕСПРОВОДНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО СЕГОДНЯ
На заре эпохи электричества мир оказался не готов к продвинутым идеям Николы Теслы. Вполне естественно, что людей интересовали куда более приземленные вещи вроде радиосвязи и продвинутого уличного освещения – все это нужно было разработать и популяризовать в самый короткий срок. Да и в том, чтобы подвести лишний питающий провод к электроприборам, никто не видел ничего плохого – одним больше, одним меньше... С течением времени ошибочность подобных взглядов стала более явной: общество развивалось, электричество стало основой основ. Ну а сегодня мы так запутались в проводах, что самое время отказаться от парочки старых идеалов: беспроводная передача энергии значительно упростила бы нам жизнь, полностью избавив от проводов. Представьте только, что вмиг исчезнут все интерфейсные кабели, а ноутбуки обретут настоящую мобильность, научившись подзаряжаться от специальных точек в общественных местах. И это не фантастика!
2.1 Методы беспроводной передачи электричества
Ультразвуковой метод
Изобретение студентов университета Пенсильвании. Впервые широкой публике установка была представлена на выставке The All Things Digital (D9) в 2011 году. Как и в других способах беспроводной передачи чего-либо, используется приёмник и передатчик. Передатчик излучает ультразвук, приёмник, в свою очередь, преобразует слышимое в электричество. На момент презентации расстояние передачи достигает 7-10 метров, необходима прямая видимость приёмника и передатчика. Из известных характеристик – передаваемое напряжение достигает 8 вольт, однако не сообщается получаемая сила тока. Используемые ультразвуковые частоты никак не действуют на человека или животных.
Метод электромагнитной индукции
Техника беспроводной передачи методом электромагнитной индукции использует ближнее электромагнитное поле на расстояниях около одной шестой длины волны. Энергия ближнего поля сама по себе не является излучающей, однако некоторые радиационные потери всё же происходят. Кроме того, как правило, имеют место и резистивные потери. Благодаря электродинамической индукции, переменный электрический ток, протекающий через первичную обмотку, создает переменное магнитное поле, которое действует на вторичную обмотку, индуцируя в ней электрический ток. Для достижения высокой эффективности взаимодействие должно быть достаточно тесным. По мере удаления вторичной обмотки от первичной, все большая часть магнитного поля не достигает вторичной обмотки. Даже на относительно небольших расстояниях индуктивная связь становится крайне неэффективной, расходуя большую часть передаваемой энергии впустую.
Электрический трансформатор (Приложение 1) является простейшим устройством для беспроводной передачи энергии. Первичная и вторичная обмотки трансформатора прямо не связаны. Передача энергии осуществляется посредством процесса, известного как взаимная индукция. Основной функцией трансформатора является увеличение или уменьшение первичного напряжения. Бесконтактные зарядные устройства мобильных телефонов и электрических зубных щеток являются примерами использования принципа электродинамической индукции. Индукционные плиты также используют этот метод. Основным недостатком метода беспроводной передачи является крайне небольшое расстояние его действия. Приемник должен находиться в непосредственной близости к передатчику для того, чтобы эффективно с ним взаимодействовать.
Использование резонанса несколько увеличивает дальность передачи. При резонансной индукции передатчик и приемник настроены на одну частоту. Производительность может быть улучшена ещё больше путем изменения формы волны управляющего тока от синусоидальных до несинусоидальной переходной формы волны. Импульсная передача энергии происходит в течение нескольких циклов. Таким образом, значительная мощность может быть передана между двумя взаимно настроенными LC-цепями с относительно невысоким коэффициентом связи. Передающая и приемная катушки, как правило, представляют собой однослойные соленоиды или плоскую спираль с набором конденсаторов, которые позволяют настроить принимающий элемент на частоту передатчика.
Обычным применением резонансной электродинамической индукции является зарядка аккумуляторных батарей портативных устройств, таких как портативные компьютеры и сотовые телефоны, медицинские имплантаты и электромобили. Техника локализованной зарядки использует выбор соответствующей передающей катушки в структуре массива многослойных обмоток. Резонанс используется как в панели беспроводной зарядки (передающем контуре), так и в модуле приемника (встроенного в нагрузку) для обеспечения максимальной эффективности передачи энергии. Такая техника передачи подходит универсальным беспроводным зарядным панелям для подзарядки портативной электроники, такой, например, как мобильные телефоны. Техника принята в качестве части стандарта беспроводной зарядки Qi.
Резонансная электродинамическая индукция также используется для питания устройств, не имеющих аккумуляторных батарей, таких как RFID-метки и бесконтактные смарт-карты, а также для передачи электрической энергии от первичного индуктора винтовому резонатору трансформатора Теслы, также являющимся беспроводным передатчиком электрической энергии.
Индукционные источники и приемники беспроводной энергии позволят разгрузить крупные города от бесконечных линий электропередач для питания муниципального транспорта. Некоторые подвижки в этой области уже есть — в прошлом году известный производитель персональных самолетов, поездов и другой техники Bombardier продемонстрировал трамвайную систему Bombardier PRIMOVE. Разработчики предлагают установить индукционную линию прямо в асфальт рядом с рельсами — вагоны трамвая в этом случае будут оснащены бесконтактными приемниками. Таким образом, состав сможет двигаться без классического токоприемника и линии электропередач.
Bombardier PRIMOVE позволила бы освободить небо в исторических центрах различных городов, где назойливые провода часто портят красоту старых зданий и памятников. К тому же новая трамвайная система отличается куда большей надежностью (так как приемник с передатчиком не трутся друг об друга и не изнашиваются) и повышенной экономией энергии — технология MITRAC позволяет собирать энергию при торможении и езде (нечто похожее реализовано в экономичных автомобилях Toyota Prius).
Электростатическая или емкостная связь представляет собой прохождение электроэнергии через диэлектрик. На практике это градиент электрического поля или дифференциальная емкость между двумя или более изолированными клеммами, пластинами, электродами, или узлами, возвышающимися над проводящей поверхностью. Электрическое поле создается за счет заряда пластин переменным током высокой частоты и высокого потенциала. Емкость между двумя электродами и питаемым устройством образует разницу потенциалов.
Электрическая энергия, передаваемая с помощью электростатической индукции, может быть использована в приемном устройстве, например, таком как беспроводные лампы. Тесла продемонстрировал беспроводное питание ламп освещения энергией, передаваемой переменным электрическим полем.
«Вместо того чтобы полагаться на электродинамическую индукцию для питания лампы на расстоянии, идеальным способом освещения зала или комнаты будет создание таких условий, при которых осветительный прибор можно было бы переносить и размещать в любом месте, и он работал, независимо от того, где он находится, и без проводного подключения. Я сумел продемонстрировать это, создав в помещении мощное переменное электрическое поле высокой частоты. Для этой цели я прикрепил изолированную металлическую пластину к потолку и подключил ее к одной клемме индукционной катушки, другая клемма была заземлена. В другом случае я подключал две пластины, каждую к разным концам индукционной катушки, тщательно подобрав их размеры. Газоразрядная лампа может перемещаться в любое место помещения между металлическими пластинами или даже на некоторое расстояние за ними, излучая при этом свет без перерыва».
Принцип электростатической индукции применим к методу беспроводной передачи. В случаях, когда требуется передача небольшого количества энергии, необходимость в расположении электродов на возвышении снижается, особенно, в случае токов высокой частоты, когда достаточное количество энергии может быть получено терминалом путем электростатической индукции из верхних слоев воздуха, создаваемой передающим терминалом.
Радиоволновую передачу энергии можно сделать более направленной, значительно увеличив расстояние эффективной передачи энергии путем уменьшения длины волны электромагнитного излучения, как правило, до микроволнового диапазона. Для обратного преобразования микроволновой энергии в электричество может быть использована ректенна (устройство, представляющее собой нелинейную антенну, предназначенную для преобразования энергии поля падающей на неё волны в энергию постоянного тока), эффективность преобразования энергии которой превышает 95 %. Данный способ был предложен для передачи энергии с орбитальных солнечных электростанций на Землю и питания космических кораблей, покидающих земную орбиту.
Сложностью в создании энергетического микроволнового луча является то, что для использования его в космических программах из-за дифракции, ограничивающей направленность антенны, необходима диафрагма большого размера. Например, согласно исследованию НАСА 1978 года, для микроволнового луча частотой 2,45 ГГц понадобится передающая антенна диаметром в 1 км, а приемной ректенны диаметром в 10 км. Эти размеры могут быть снижены путем использования более коротких длин волн, однако короткие волны могут поглощаться атмосферой, а также блокироваться дождем или каплями воды. Из-за «проклятия узкого пучка», невозможно сузить луч, объединяя пучки от нескольких меньших спутников без пропорциональной потери в мощности. Для применения на земле антенна диаметром 10 км позволит достичь значительного уровня мощности при сохранении низкой плотности пучка, что важно по соображениям безопасности для человека и окружающей среды. Безопасный для человека уровень плотности мощности составляет 1 мВт/кв. см, что на площади круга диаметром 10 км соответствует мощности в 750 МВт. Этот уровень соответствует мощности современных электростанций.
После Второй мировой войны, когда началось развитие мощных СВЧ-излучателей, известных под названием магнетрон, идея использования микроволн для передачи энергии также была исследована.
В 1964 году был продемонстрирован миниатюрный вертолет, к которому энергия передавалась с помощью СВЧ-излучения (устройство, представляющее собой нелинейную антенну, предназначенную для преобразования энергии поля падающей на неё волны в энергию постоянного тока).
Японский исследователь Хидэцугу Яги также исследовал беспроводную передачу энергии с помощью созданной им направленной антенной решетки.
В феврале 1926 года им была опубликована работа об устройстве, известном сейчас как антенна Яги. Хотя она оказалась неэффективной для передачи энергии, сегодня ее широко используют в радиовещании и беспроводных телекоммуникациях из-за ее превосходных рабочих характеристик.
Беспроводная передача энергии высокой мощности с использованием микроволн подтверждена экспериментально. Опыты по передаче десятков киловатт электроэнергии проводились в Голдстоуне, штат Калифорния, в 1975 году и в 1997 году в Гранд Бассине на острове Реюнион. В ходе экспериментов достигнута передача энергии на расстояние порядка одного километра.
Лазерный метод
В том случае, если длина волны электромагнитного излучения приближается к видимой области спектра (от 10 мкм до 10 нм), энергию можно передать путем ее преобразования в луч лазера, который затем может быть направлен на фотоэлемент приемника (Приложение 2).
Лазерная передача энергии по сравнению с другими методами беспроводной передачи обладает рядом преимуществ:
· Монохроматическая световая волна, обладающая малым углом расходимости, позволяет узкому пучку эффективно передавать энергию на большие расстояния.
· Компактный размер твердотельного лазера — фотоэлектрического полупроводникового диода удобен для небольших изделий.
· Лазер не создает радиочастотных помех для существующих средств связи, таких как Wi-Fi и сотовые телефоны.
· Контроль доступа, так как только приемники, освещенные лазерным лучом, получают электроэнергию.
У данного метода есть и ряд недостатков:
· Преобразование низкочастотного электромагнитного излучения в высокочастотное, которым является свет, неэффективно. Преобразование света обратно в электричество также неэффективно, так как КПД фотоэлементов достигает 40-50 %%, хотя эффективность преобразования монохроматического света значительно выше, чем эффективность солнечных панелей.
· Потери в атмосфере.
· Как и при микроволновой передаче, этот метод требует прямой видимости между передатчиком и приемником.
Технология передачи мощности с помощью лазера ранее, в основном, исследовалась при разработке новых систем вооружений и в аэрокосмической промышленности, а в настоящее время разрабатывается для коммерческой и потребительской электроники в маломощных устройствах. Системы беспроводной передачи энергии с применением в потребительских целях должны удовлетворять требованиям лазерной безопасности стандарта IEC 60825. Для лучшего понимания лазерных систем следует принимать во внимание то, что распространение лазерного луча гораздо в меньшей степени зависит от дифракционных ограничений, как пространственное и спектральное согласование характеристик лазеров позволяет увеличить рабочую мощность и дистанцию, как длина волны влияет на фокусировку.
Драйденский Летно-исследовательского центр НАСА продемонстрировал полет легкого беспилотного самолета-модели, питаемого лазерным лучом. Это доказало возможность периодической подзарядки посредством лазерной системы без необходимости приземления летательного аппарата.
Кроме того, Litehouse DEV (подразделение НАСА) совместно с Университетом штата Мэриленд разрабатывает лазерную систему питания небольших БПЛА, безопасную для глаз.
С 2006 года компания PowerBeam, изобретшая лазерную технологию, безопасную для глаз, также разрабатывает готовые для коммерческого применения узлы для различных потребительских и промышленных электронных устройств.
В 2009 году в соревновании НАСА по передаче энергии лазером первое место и приз в $900 тыс. получила компания LaserMotive, продемонстрировав собственную разработку, способную действовать на расстоянии в один километр. Лазер победителя смог передать мощность в 500 Вт на расстояние в 1 км с 10 % КПД.
2.2. Беспроводное электричество в быту
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 (Приложение 3): 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.
Таким образом, прогресс в развитии передачи беспроводного электричества не стоит на месте. На сегодняшний день существует множество методов передачи беспроводной электроэнергии, они совершенствуются и внедряются всё глубже в жизнь человека.
РАЗДЕЛ 3. ТРАНСФОРМАТОР ТЕСЛА
3.1 Принцип работы трансформатора Тесла
Резонансные трансформаторы, названные в честь их изобретателя – Николы Тесла.
В оригинальном виде представляют собой два связанных индуктивной связью колебательных контура настроенных на одну частоту, при этом первичный контур имеет малое число витков и большую ёмкость, а вторичный имеет большое число витков и его ёмкость мала или вообще представлена лишь собственной ёмкостью катушки и ёмкость её конца к окружающему пространству.
При работе трансформатора Тесла на катушке вторичного контура создаются большие потенциалы напряжений относительно высокой частоты (50...100 кГц).
Так как обычно нижний конец катушки вторичного контура заземляется, то с её верхнего конца в окружающее пространство уходят весьма плотные разряды.
По причине малых токов и высоких частот попадание разряда истекающего с трансформатора Тесла в тело человека не приводит к гибели последнего. Дело и в малых токах, и в том, что вступает в действие скин-эффект (высокочастотные токи текут по тонкому слою поверхности проводника, не проникая в его глубину и чем выше частота, тем тоньше слой). Кроме высоких напряжений, трансформаторы Тесла создают сильные электромагнитные поля, что может пагубно сказываться на работе неэкранированной от таких полей (бытовой) аппаратуре, а в совокупности с импульсами высокого напряжения может приводить к её порче.
Классические структурные схемы трансформаторов Тесла (Приложение 4).
Варианты A и S по принципу работы идентичны и отличаются лишь включением разрядника и конденсатора , однако схема изображённая как вариант A более практична, так как в момент разряда и возникновения колебаний в первичном контуре (), разрядник шунтирует цепи питания и уменьшает проникновение в них колебаний с первичного контура. Дроссель необходим для отсечения источника питания от колебательного контура для ВЧ колебаний, а конденсатор является срезающим ВЧ колебания с которыми не справился дроссель ( и типичный Г образный ФНЧ).
Принцип действия классического трансформатора Тесла:
1) Зарядка конденсатора от источника ;
2) Возникновение дуги в разряднике при достижении напряжения на конденсаторе ;
3) Возникновение затухающих колебаний в контуре --;
4) Передача энергии за счёт индуктивной связи из в ;
5) Разряд с верхнего конца катушки .
Как только вся энергия в первичном контуре израсходована, дуга гаснет и процесс заряда конденсатора повторятся вновь.
В качестве чаще всего используются управляемые разрядники, например роторные, в которых зазор между электродами изменяется от нескольких сантиметров до нескольких миллиметров сотни раз в секунду, что позволяет избежать возникновения непрерывной дуги в разряднике и сделать процесс более предсказуемым.
Таблица 3.1, Классификация трансформаторов Тесла.
SGTC |
Трансформаторы Тесла с использованием разрядника. |
VTTC |
Трансформаторы Тесла с использованием лампового оконечного каскада. |
SSTC |
Трансформаторы Тесла с использованием транзисторного оконечного каскада. |
DRSSTC |
Трансформаторы Тесла с транзисторным оконечным каскадом и использованием последовательного, а не параллельного первичного контура. |
3.2 Сборка рабочей модели трансформатора Тесла
1) Формула для расчета емкости конденсатора.
|
(3.1) |
где – емкость конденсатора, – сила тока, – частота тока в цепи, – напряжение.
2) Основные компоненты.
Стенд (деревянная панель мм)
Колебательный контур:
Трансформатор 8кВ 30мА.
Конденсатор керамический дисковый .
Разрядник: два шурупа.
Первичная обмотка:
Внутренний диаметр 80 мм.
Толщина поперечного сечения обмотки 6 мм.
Расстояние между витками 3-5 мм.
Длина трубки первичной обмотки 3 м.
Витки 8.
Вторичная обмотка:
Диаметр трубы 50мм.
Высота 37 см.
Проволока 0.3мм.
Длина провода 145м.
Витки: 1000.
3) Схема трансформатора Тесла. (Приложение 5)
Таким образом, мы выяснил, как функционирует одно из величайших изобретений – трансформатор Тесла. Также мы сконструировали аналогичную модель, но меньших масштабов, приобретя опыт в работе в прикладной физике.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Харченко В.В. «Никола Тесла. Биография», [Электронный ресурс] / В.В. Харченко/– Режим доступа: //http://nikolatesla.ru/7.php – статья в интернете
2. «Трансформатор Тесла», Проект «Освоение Космоса» [Электронный ресурс] / Ляшенко В.Г./ – Режим доступа: http://kuasar.narod.ru/library/tesla/transf.htm – статья в интернете
3. Богомолова В. «Когда придет его время?» [Электронный ресурс] / Автор: Валентина БОГОМОЛОВА/– Режим доступа: http://p-lab.org/publ/7-1-0-8 – статья в интернете
4. Мазурин Ю.В. «Тайна башни Ворденклиф» [Электронный ресурс] / автор статьи: Ю.В. Мазурин, 9 октября 2006, электронный журнал «Эзотера»/– Режим доступа: http://ezotera.ariom.ru/2006/10/09/tesla.html
5. Мазурин Ю.В. «Планета Земля как резонансная система», [Электронный ресурс] / автор статьи: Ю.В. Мазурин, 9 октября 2006, электронный журнал «Эзотера»/– Режим доступа: http://ezotera.ariom.ru/2006/10/09/tesla.html. – статья в интернете
6. Токанова И. «Тунгусская катастрофа» [Электронный ресурс] / автор статьи И Токанова/– Режим доступа: http://moikompas.ru/compas/tesla – статья в интернете
7. «Беспроволочная технология передачи энергии Н. Тесла и Тунгусский взрыв» Журнал-путеводитель неофициальных знаний для любознательных или заочная школа нового человека/– Режим доступа:http://prometheus.al.ru/phisik/tungus.htm – статья в интернете.
8. «Искусственные землетрясения. Проект HAARP» [Электронный ресурс] / дата публикации - 2009-04-05, сайт информационного агентства «Дом Солнца» /– Режим доступа: http://www.sunhome.ru/journal/117672/p2 – статья в интернете
9. Б. Ржонсницкий "Никола Тесла: Первая отечественная биография"/ издательство: Эксмо, Яуза, Сверхпроводящие слои атмосферы. 2009 – 288с.
10. Суорц Кл. Э. Необыкновенная физика обыкновенных явлений/ Пер. с англ. В 2-х т. Т.2./М.: Наука. Гл. ред. физ. - мат. Лит., 1987.–384с. с илл.
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1 Приложение 2
Приложение 3
Приложение 4
Приложение 5
Скачано с www.znanio.ru
© ООО «Знанио»
С вами с 2009 года.