Беспроводная передача электричества: теория, видео

Основа рекламы

Изучив рынок продукции и плюсы беспроводных зарядных устройств, можно приступить к созданию рекламного видеоролика. Передо мной стоит главная цель: заинтересовать зрителей.

На чем нужно акцентировать внимание:

1. Свобода. Это слово должно красной нитью проходить через всё видео, потому что для людей в современном мире очень важна мобильность, независимость, самостоятельность.

Свобода от повреждённых разъемов;
Свобода от угрозы здоровью;
Свобода от необходимости поиска нужного провода;
Свобода от потери времени.

2. Локации. Локации должны выглядеть современно, чтобы зрители могли увидеть простейшую картину инновационного будущего, к которому хочется стремиться. Для съемок были выбраны следующие места Санкт-Петербурга: парк 300-летия, ТРЦ «Галерея», третья (зелёная) ветка санкт-петербургского метрополитена, магазины техники, Крестовский остров.

3. Текст. Помимо упоминания свободы, текст должен быть четким и лаконичным, простым и понятным. Текст представлен в Приложении 3.

Заключение

В ходе исследования были успешно выполнены все поставленные задачи.

Исторические факты об электромагнитной индукции и физические основы данного явления изучены и представлены слушателям. Недостаточный уровень развития технологий в сфере электромагнитной индукции подтверждается малым количеством и высокой стоимостью устройств, использующих вышеуказанное явление.

Также с помощью анкетирования подтвердилась выдвинутая гипотеза: уровень информирования людей о беспроводной передаче электрического тока недостаточен. Кроме того, отснят рекламный видеоролик беспроводных зарядных устройств для повышения уровня информирования слушателей и их интереса к научной сфере электромагнитной индукции.

Приложение. Текст рекламы

Идти в ногу со временем может каждый. Взять те же различные беспроводные технологии. Мы уже не можем представить свою жизнь без вай-фая, и я уверена, что то же самое произойдет и с беспроводными зарядками. Многие люди думают, что это что-то сложное, недоступное для большинства. Но мало того, что они безопаснее и удобнее проводных, их проще использовать. Готовы взглянуть в будущее?

Шаг первый: положите телефон на зарядку. Готово!

Все еще убеждены в том, что вам не нужна беспроводная зарядка? Она даст вам свободу.

Свобода от поврежденных разъемов. Многие из нас сталкиваются с расшатанными из-за проводов разъемами. Беспроводная зарядка же сохранит их целыми.

Свобода от угрозы здоровью. Поломки неприятны, а в случае электрических устройств они могут быть даже опасны.

Свобода от поиска нужного провода. Многие провода совместимы лишь с телефонами одной фирмы, а беспроводная зарядка поддерживает почти любой смартфон.

Хоть и последнее, но очень важное. Беспроводная зарядка даёт свободу от потери времени

Заряжать без проводов — быстрее!

Будущее ближе, чем кажется. Самое время стать его частью.

Глоссарий

Гальванометр — высокочувствительный прибор для измерения силы малых постоянных электрических токов.

Гальванический элемент — химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух металлов и/или их оксидов в электролите, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока.

Магнетизм — форма взаимодействия движущихся электрических зарядов, осуществляемая на расстоянии посредством магнитного поля.

Поляризация волн — характеристика поперечных волн, описывающая поведение вектора колеблющейся величины в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Проводящий контур — любой замкнутый участок электрической цепи.

Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока, электрического поля или электрической поляризации при изменении во времени магнитного поля или при движении материальной среды в магнитном поле.

Список литературы

Веденеев Б.Е., «Электричество», «ГОСЭНЕРГОИЗДАТ», 1945, №5, 72 с.
Семенов О. Ю., «Молодой ученый», «Издательство молодой ученый», 2016, №10, 74 с.
М. И. Радовский, «Фарадей», «Журнально-газетное объединение», 1936, серия «Жизнь замечательных людей» в. 19-20, 162 с.
Гл. ред. А.М. Прохоров «Физическая энциклопедия», «Большая Российская энциклопедия», 1998, Т.5, 692 с.
Интернет-ресурсы

Технология

Принцип индуктивной связи Два устройства, взаимно индуктивно-связанные или имеющие магнитную связь, выполнены так, что изменение тока при том, что один провод индуцирует напряжение на концах другого провода, производится посредством электромагнитной индукции. Это связано с взаимной индуктивностью. Индуктивная связь является предпочтительной из-за её способности работать без проводов, а также устойчивости к ударам.

Резонансная индуктивная связь является сочетанием индуктивной связи и резонанса. Используя понятие резонанса можно заставить два объекта работать зависимо от сигналов друг друга.

Концепция резонанса индуктивной связи

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

Существует также концепция беспроводной ионизированной связи.

Она тоже воплотима в жизнь, но здесь необходимо приложить немного больше усилий. Эта техника уже существует в природе, но вряд ли есть целесообразность ее реализации, поскольку она нуждается в высоком магнитном поле, от 2,11 М /м . Её разработал гениальный ученый Ричард Волрас, разработчик вихревого генератора, который посылает и передает энергию тепла на огромные расстояния, в частности при помощи специальных коллекторов. Самой простой пример такой связи – это молния.

Технология

Концепция резонанса индуктивной связи

Существует также концепция беспроводной ионизированной связи.

Теория энергетического заговора

В начале XX века после появления теории относительности Эйнштейна на эфир в научном сообществе было наложено табу. Любые упоминания о нем в учебниках химии и физики были незамедлительно удалены. Сами же ученые, которые не спешили отвергать наличие этого вещества, подвергались жесткой цензуре и, фактически, лишались возможности добиться успехов и признания в научном сообществе.

Существует теория, согласно которой за этим стояли крупные корпорации и бизнесмены-нефтяники. Причем сам Эйнштейн, согласно этой теории, лоббировал их интересы в научном мире. Доводом послужила тесная связь ученого с домом Ротшильдов и его финансирование банкирами.

В то же время известно, что противником Тесла был другой, не менее известный банкир — Морган. Примечателен тот факт, что последний финансировал Николу Тесла до тех пор, пока не выяснил, что изобретатель работает, фактически, над крахом его бизнес-империи. После этого он приложил все усилия, чтобы Теслу больше вообще никто не финансировал. Разумеется, бесплатная энергия могла поставить крест не только на бизнесе отдельных корпораций, но и экономике целых стран.

Первый в мире электромобиль, разработанный Генри Фордом

Также сторонники теории заговора проводят аналогии с электромобилями Генри Форда. Совместно с Томасом Эдиссоном им было построена и успешно испытана как минимум одна машина, хотя некоторые источники указывают не несколько автомобилей с электродвигателями. Сам Генри рассказывал о перспективности этих проектов в СМИ и обещал в скором будущем начать массовое производство таких машин. Однако, с определенного момента СМИ перестали вообще упоминать об Edison-Ford. Мастерские были уничтожены пожаром, а и сам Генри Форд к идее электромобилей больше никогда не возвращался.

Отказ от них в пользу ДВС связывают с договором между Фордом и нефтяными картелями, которые прекрасно понимали перспективность автомобилестроения и выгоду, которую они получат от машин, потребляющих нефтепродукты. Но, уже сейчас можно с уверенностью говорить, что выбор в пользу ДВС был абсолютно неверным решением. К примеру, электромобиль Тесла бесшумно разгоняется до 100 км/ч за 2,3 секунды, при этом стоит всего 130.000$. Такие же динамические показатели имеет Bugatti Chiron, вот только разгоняется с грохотом, а его стоимость достигает 2,5 млн. долларов. Потребляет такой суперкар десятки литров высокооктанового топлива на 100 км.

Применение электромагнитной индукции

Хотя большинство людей даже и не подозревает об этом, этот метод используется уже очень давно, практически с самого начала использования переменного тока. Самый обычный трансформатор переменного тока является простейшим устройством беспроводной передачи электроэнергии, только расстояние передачи при этом очень маленькое.

Первичная и вторичная обмотки трансформатора не соединены в одну цепь, а при протекании переменного тока в первичной обмотке возникает электроток во вторичной. Перенос энергии при этом происходит посредством электромагнитного поля. Поэтому этот метод беспроводной передачи электроэнергии использует преобразование энергии из одного вида в другой.

Уже разработаны и успешно используются в быту ряд приборов, работа которых основана на этом методе. Это и беспроводные зарядные устройства для мобильных телефонов и других гаджетов, и бытовые электроприборы с низким потреблением электроэнергии при работе (компактные камеры видеонаблюдения, всевозможные датчики и даже телевизоры с жидкокристаллическими экранами).

Многие специалисты утверждают, что электротранспорт будущего будет использовать беспроводные технологии зарядки аккумуляторов или получения электроэнергии для движения. В дороги будут вмонтированы индукционные катушки (аналоги первичной обмотки трансформатора). Они будут создавать переменное электромагнитное поле, которое при проезде транспорта над ним вызовет течение электротока во встроенной приемной катушке. Первые эксперименты уже проведены и полученные результаты вызывают сдержанный оптимизм.

Из достоинств такого способа можно отметить:

высокий КПД для небольших расстояний (порядка нескольких метров);
простота конструкции и освоенная технология применения;
относительная безопасность для здоровья людей.

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:

Дж. Бош в 1894 году зажег порох, передавая электричество на расстояние без проводов. Он сделал это во время демонстрации в Калькутте.
А. Попов 25 апреля (7 мая) 1895 г с помощью азбуки Морзе передал первое сообщение. В России сегодня, 7 мая, по-прежнему День радио.
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.

Беспроводное освещение

В 1891 году Тесла усовершенствовал передатчик волн, изобретённый Герцом, который был необходим для радиочастотного снабжения энергией, переделав его в систему освещения, состоящую из газоразрядных ламп.

В этом же году он продемонстрировал в Колумбийском колледже своё изобретение.

В руках у Теслы две длинные трубки Гейсслера , которые похожи на неоновые лампы.

В 1893 году в Чикаго проходит всемирная выставка, где Тесла демонстрирует своё изобретение. Лампы были не только беспроводными, но и люминесцентными.

В 1894 году новое достижение. Удаётся зажечь фосфорную лампу накаливания в своей лаборатории, используя резонансный метод взаимоиндукции.

Правда широкого коммерческого применения такая лампа найти не смогла, но резонансный метод индуктивной связи сейчас применяется повсеместно в электронике.

Виды и структура потерь

Под потерями подразумевается разница между отпущенной потребителям электроэнергией и фактически поступившей к ним. Для нормирования потерь и расчетов их фактической величины, была принята следующая классификация:

Технологический фактор. Он напрямую зависит от характерных физических процессов, и может меняться под воздействием нагрузочной составляющей, условно-постоянных затрат, а также климатических условий.
Расходы, затрачиваемые на эксплуатацию вспомогательного оборудования и обеспечение необходимых условий для работы техперсонала.
Коммерческая составляющая. К данной категории относятся погрешности приборов учета, а также другие факторы, вызывающие недоучет электроэнергии.

Примерная структура потерь Как видно из графика наибольшие расходы связаны с передачей по воздушным линиям (ЛЭП), это составляет около 64% от общего числа потерь. На втором месте эффект коронированния (ионизация воздуха рядом с проводами ВЛ и, как следствие, возникновение разрядных токов между ними) – 17%.

Коронный разряд на изоляторе ЛЭП

Исходя из представленного графика, можно констатировать, что наибольший процент нецелевых расходов приходится на технологический фактор.

Принципы передачи

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.

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.

Это интересно: Нагрев контактов — причины возникновения и способы устранения

Питание электрокара беспроводным способом

Передача электроэнергии на расстояние

Многие производители автомобилей, работающих на электрическом токе, проводят разработки альтернативной подзарядки авто без его подключения к сети. Больших успехов в этой области добилась технология зарядки транспорта от специального дорожного полотна, когда машина принимала энергию от покрытия, заряженного магнитным полем или СВЧ волнами. Но подобная подпитка была возможна только при условии, когда расстояние между дорогой и приемным устройством было не более 15 сантиметров, что в современных условиях не всегда исполнимо.

Зарядка автомобиля

Данная система находится на стадии разработок, поэтому можно предполагать, что подобный тип передачи питания без проводника еще получит свое развитие и, возможно, будет внедряться в современную транспортную индустрию.

Где работает беспроводная передача электрической энергии (WPT)

Все технологии WPT в настоящее время находятся на стадии активных исследований, большая часть сосредоточена на максимизации эффективности передачи энергии и иследованию технологий для магнитной резонансной связи. Кроме того, самыми амбициозными являются идеи оснащения WPT системой помещений, в которых человек будет находиться, а носимые им устройства будут заряжаться автоматически.

В глобальном плане, электрические автобусы становятся нормой; планируется ввести беспроводную зарядку для культовых двухэтажных автобусов в Лондоне так же, как и у автобусных систем в Южной Корее, в штате Юта США и в Германии.

Используя WiTricity, изобретенную учеными MIT, электромобили можно заряжать без проводов, а эти автомобили могут без проводов заряжать ваши мобильные телефоны! (Разумеется, используя Qi зарядку.) Эта беспроводная технология более удобна, а также она может заряжать автомобили быстрее, чем подключаемая зарядка.

Беспроводная зарядка электромобиля, встроенная в парковочное место

Уже была продемонстрирована экспериментальная система для беспроводного питания дронов. И, как уже упоминалось ранее, текущие исследования и разработки сосредоточены на перспективе удовлетворении некоторых энергетических потребностей Земли путем использования беспроводной передачи энергии и солнечных панелей, расположенных в космосе.

WPT работает везде!

Как работает беспроводное электричество

Основная работа основана именно на магнетизме и электромагнетизме, как и в случае с радиовещанием. Беспроводная зарядка, также известна как индуктивная зарядка, основана на нескольких простых принципах работы, в частности технология требует наличия двух катушек. Передатчика и приемника, которые вместе генерируют переменное магнитное поле непостоянного тока. В свою очередь это поле вызывает напряжение в катушке приемника; это может быть использовано для питания мобильного устройства или зарядки аккумулятора.

Если направить электрический ток через провод, то вокруг кабеля создается круговое магнитное поле. Несмотря на то, что магнитное поле воздействует и на петлю, и на катушку сильнее всего оно проявляется именно на кабеле. Когда возьмете второй моток проволоки, на который не поступает электрический ток, проходящий через него, и место, в которое мы установим катушку в магнитном поле первой катушки, электрический ток от первой катушки будет передаваться через магнитное поле и через вторую катушку, создавая индуктивную связь.

Как пример возьмем электрическую зубную щетку. В ней зарядное устройство подключено к розетке, которая отправляет электрический ток на витой провод внутри зарядного устройства, создающего магнитное поле. Существует вторая катушка внутри зубной щетки, когда ток начинает поступать и на неё, благодаря образовавшемуся МП, начинается заряд щетки без её непосредственного подключения к сети питания 220 В.

Анализ рынка продукции

Любые выводы всегда нужно подтверждать. Воспользовавшись сервисом для поиска и подбора товаров «Яндекс Маркет», я провела анализ рынка продукции беспроводных устройств.

По запросу «беспроводная зарядка» нашлось четыре страницы товаров, самый популярный из которых — XiaomiMiWirelessChargingPad средней стоимостью в магазинах 1290 рублей.

Отметим, что средняя стоимость любой проводной зарядки – 200-300 рублей, из чего можно сделать вывод, что беспроводное устройство для среднестатистического покупателя не представляет интереса, так как, скорее всего, для него такая высокая стоимость является переплатой за не столь большие изменения в бытовой жизни и заявленные преимущества.

1. Устройства SAMSUNG

Популярностью также пользуются и устройства этого бренда, а именно две модели:

Samsung EP-P5200

Samsung EP-P1100

Цена первого намного выше среднего, второго – практически на равных с Xiaomi.

2. Устройства Apple. Практически каждый скажет: дорого. И будет прав.

3. Иные производители.

Листая каталог товаров ниже, можно увидеть устройства и за 40000 рублей. Конечно, здесь есть гарантия качества и высокая мощность, но из чего складывается цена? Конечно, не только из используемых материалов, но и из сложности технологии, конструкции. В начале своей работы я заявила, что сфера ЭМИ малоразвита, и данные факты – тому подтверждение.

Цена в основном так и колеблется от 1500 рублей до 20000 рублей. Ассортимент беспроводных зарядок не так широк. Производством подобных товаров занимаются только ведущие бренды, прибавляя к стоимости не только цену технологии, но и своё имя.

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

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.


Кто бы мог подумать, что такие обыденные вещи, как электрические зубные щетки, одними из первых получат беспроводное питание?	На рисунке показана реализация WiTricity: все приборы, включая настольную лампу, не имеют проводов. Разве это не сказка?

Магнитная индукция

Если проводящий контур подключен к источнику питания переменного тока, он будет генерировать колебательное магнитное поле внутри и вокруг петли. Если второй проводящий контур расположен достаточно близко, он захватит часть этого колеблющегося магнитного поля, которое в свою очередь порождает или индуцирует электрический ток во второй катушке.

Видео: как происходит беспроводная передача электричества

Таким образом, происходит электрическая передача мощности от одного цикла или катушки к другой, что известно как магнитная индукция. Примеры такого явления используются в электрических трансформаторах и генератора. Это понятие основано на законах электромагнитной индукции Фарадея. Там, он утверждает, что, когда есть изменение магнитного потока, соединяющегося с катушкой ЭДС, индуцированного в катушке, то величина равна произведению числа витков катушки и скорости изменения потока.

Электрический трансформатор