Тема работы: «Беспроводная передача энергии»

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

"Лицей имени Ивана Ивановича Федунца"

301602 Россия, Тульская область, город Узловая, ул. 14 Декабря, д. 32

Тел. +7 487 315 93 79. Факс +7 487 315 94 87. E-mail:

licey.uzl@tularegion.org

Тема работы:

«Беспроводная передача энергии»

Ф.И.О. автора работы:

Сатарова  Виолетта  Ильдаровна 11 класс, 17 лет

Руководитель работы:

Лучина Татьяна Владиславовна,

учитель физики

г.Узловая, 2024г.

Содержание:

1.Введение

Еще пару веков назад современные чудеса техники были лишь выдумками фантастов, мечтами, но сейчас уже трудно представить нашу жизнь без всех этих благ человечества. Ученые никогда не стояли на месте, стараясь исследовать и изобретать; так в далеком 1799 году итальянский ученый А.Вольт создал первый в мире источник электроэнергии. Он состоял из гальванического элемента, который в свою очередь состоял из слабого раствора серной кислоты в воде, в который опущены цинковая и медная пластины, превращающие химическую энергию в электроэнергию. После этого изобретатели со всего света, продолжили развивать эти знания.

Эдисон, Лобачёв, Яблочков и другие. Трудно не узнать эти фамилии, когда речь заходит о развитии электричества в России. Благодаря им мы сейчас можем жить в комфортных условиях, не задумываясь, где взять энергию, чтоб осветить себе путь, приготовить еду и согреться.

Но даже с появлением электричества, которые казалось бы, должно упрощать жизнь, появились новые трудности. Например на безопасно организовывать его передачу, что не навредить жизни человека и природы, а также методы его передачи беспроводными путями. Наибольшую актуальность эта проблема приобрела в сфере компьютерных, мобильных и IT технологий

Актуальность данной темы растет с геометрической прогрессией, так как ни один день современного человека не проходит без использования смартфонов, лэптопов и других гаджетов. Большая часть населения уже давно пользуется бесконтактной оплатой в супермаркетах и общественном транспорте, а электробусы заряжаются на специализированных станциях, поэтому я хочу разобраться в этой теме поподробнее

2.История возникновения электрической энергии

Электричество — это вид энергии, которую не требовалось изобретать, а только обнаружить и изучить. История отдает должное первооткрывателю Бенджамину Франклину, именно его эксперименты помогли установить связь между молнией и электричеством. Хотя на самом деле, правда об открытии электроэнергии намного сложнее, поскольку в ее истории не существует единого определяющего момента, дающего прямой ответ на вопрос, кто изобрёл электричество.

Электричество было обнаружено еще в 7 веке до нашей эры древнегреческим философом Фалесом. Он выяснил, что натертый шерстью янтарь способен притягивать меньшие по массе предметы. Кроме того, исследователи и археологи в 1930-х годах обнаружили горшки с листами меди внутри, и объяснили их происхождение, как древние батареи, предназначенные для получения света в древнеримских местах. Подобные устройства также были найдены в археологических раскопках возле Багдада, а это означает, что древние персы также могли открыть конструкцию ранней формы батарей.  Однако масштабные эксперименты с электричеством начинаются в эпоху возрождения в Европе. В 1650 г. магдебургским бургомистром фон Герике была построена электростатическая установка. В 1729 г. Стивеном Греем был поставлен опыт по передаче электроэнергии на расстояние. В 1747 Бенджамин Франклин издал очерк, где была собраны все известные факты об электричестве и выдвинуты новые теории. В 1785-м был открыт закон Кулона.Итальянский физик Алессандро Вольта обнаружил, что определенные химические реакции могут производить электричество, а в 1800 году он создал гальванический элемент, раннюю электрическую батарею, вырабатывающую постоянный электроток. Он также выполнил первую передачу тока на расстояние, связав положительно и отрицательно заряженные разъемы и создав между ними напряжение. Поэтому многие историки считают, что 1800 — это год изобретения электричества.

В 1831 году электричество стало возможно использовать в технике, когда Майкл Фарадей создал электродинамо, решившее на практике проблему генерирования постоянного электротока. Довольно простое изобретение с использованием магнита, перемещавшегося внутри катушки из медного провода, создавал небольшой ток, протекающий через провод. Оно помогло американцу Томасу Эдисону и британскому ученому Джозефу Свону, каждому в отдельности, примерно в одно время в 1878 году изобрести лампу накаливания. Сами лампочки для освещения были изобретены другими исследователями, но лампа накаливания была первым практичным устройством, дававшем свет в течение нескольких часов подряд.

В 1800-х и в начале 1900-х годов, сербско-американский инженер, изобретатель и мастер электротехники Никола Тесла стал одним из авторов зарождения коммерческого электричества. Он работал совместно с Эдисоном, сделал много революционных разработок в области электромагнетизма и хорошо известен своей работой с двигателями переменного тока и многофазной системой распределения энергии.

Обратите внимание! Русский ученый и инженер А. Н. Лодыгин изобрел и запатентовал в 1874 г. лампу освещения, где функцию нити накаливания выполнял угольный стержень, размещенный в вакуумной среде сосуда, изготовленного из стекла. Это были первые лампочки освещения в России. Только через 16 лет в 1890-х гг. он применил нить из тугоплавкого металла — вольфрама.

Однозначно нельзя заявить в каком году появился свет. Несмотря на то, что многие историки считают что лампочка была изобретена американцем Эдисоном, тем не менее первая лампа с платиновой нитью накаливания в вакуумном стеклянном сосуде была изобретена в 1840 изобретателем из Англии Де ла Рю.

3.История возникновения беспроводной передачи энергии

Многие годы ученые бьются над вопросом минимизации электрических расходов. Есть разные способы и предложения, но все, же самой известной теорией является беспроводная передача электроэнергии. Предлагаем рассмотреть, как она выполняется, кто является её изобретателем и почему пока что её не воплотили в жизнь.Возможность передачи электроэнергии на расстояние впервые обнаружил Стивен Грей в 1720-е годы. В опытах Грея заряд передавался по шёлковому проводу на расстояние до 800 футов.Закон открытый Андре Мари Ампером в 1820 году, о взаимодействии электрических токов, положил начало дальнейшему развитию науки об электричестве и магнетизме.

В настоящее время остро стоит вопрос и проводятся широкомасштабные исследования по оценке возможности передачи электрической энергии без использования проводов, иными словами, ученые пытаются передать электричество по типу передачи информации по технологии Wi-Fi [1].

Саму возможность передачи электроэнергии на расстояние первым обнаружил английский ученый Стивен Грей в первой половине XVIII века, которые проводил опыты с наэлектризованными предметами, тем самым передавал заряд на расстояние около 250 м [2-4].

Затем, уже во второй половине XIXвека, благодаря закону о взаимодействии электрических токов, отрытому французским физиком Адре- Мари Ампером, произошло дальнейшее развитие об электричестве. В 1831 году английский физик-экспериментатор Майкл Фарадей экспериментально установил, что порождаемое электрическим током меняющееся магнитное поле способно индуцировать электрический ток в другом проводнике, это утверждение дало возможность создать первый электрический трансформатор [3, 4].

Во второй половине XIX века, другим английским физиком Джеймсом Максвеллом были систематизированы данные Фарадея, что позволило заложить фундамент теории классической электродинамики, в основе которой были уравнения описывающие связь электромагнитного поля с электрическими токами и зарядами.

В 1888 году немецкий физик Генрих Герц впервые провел опыты по беспроводной передаче электрической энергии, заключающиеся в том, что искровой передатчик с прерывателем на основе катушки Румкорфа мог производить электромагнитные волны частотой до 0,5 ГГц, которые, в свою очередь, могли быть приняты несколькими приемниками, настроенными в резонанс с передатчиком. Приемники могли располагаться на расстоянии до 3 метров, и при возникновении искры в передатчике, искры возникали и в приемниках.

В 1891 году физик-изобретатель сербского происхождения Никола Тесла, занимаясь исследованием переменных токов высокого напряжения и высокой частоты, приходит к выводу, что крайне важно для конкретных целей подбирать как длину волны, так и рабочее напряжение передатчика, и совсем не обязательно делать частоту слишком высокой. Тесла установил, что, что нижняя граница частот и напряжений, при которых ему на тот момент удалось добиться наилучших результатов, — от 15000 до 20000 колебаний в секунду при потенциале от 20000 вольт.

Тесла получал ток высокой частоты и высокого напряжения, применяя колебательный разряд конденсатора. Он заметил, что данный вид электрического передатчика пригоден как для производства света, так и для передачи электроэнергии для производства света.

В последней декаде XIX века Никола Тесла проводит большое количество экспериментов в области беспроводной передачи электроэнергии и демонстрирует свечение вакуумных трубок в высокочастотном электростатическом поле. В своих экспериментах ученый доказывает, что энергия электростатического поля поглощается лампой, а энергия электромагнитного поля, используемая для электромагнитной индукции с целью получения аналогичного результата, в основном отражается, и лишь малая ее доля преобразуется в свет. Даже применяя резонанс при передаче с помощью электромагнитной волны, значительного количества электрической энергии передать не удастся, утверждал ученый. Его целью в этот период работы была передача именно большого количества электрической энергии беспроводным способом.

Исследования в области беспроводной передачи электроэнергии, в тот период, проводили в Индии (Джагдиш Боше), России (Александр Попов), Италии (Гульельмо Маркони).

В основе работы Теслы был заложен электрический резонансный трансформатор, так называемая «Катушка Тесла», которая обеспечивала передачу электрической энергии на несколько метров, зажигая лампы накаливания, лишний раз доказывая о самой возможности не только передать энергию, но и правильно ее трансформировать и использовать для питания .

В интервью одному из американских изданий Никола Тесла описал свое видение будущего, в котором для передачи электроэнергии провода будут не нужны и находясь в самой отдалённой точке земли каждый человек будет способен пользоваться электричеством.

Однако, этому не суждено было сбыться, во многом потому, что началось бурное развитие и использование природных энергоносителей, активное развитие машин с бензиновыми двигателями. Добыча нефти и производство из нее топлива было проще и дешевле, что строительство электростанций и применение технологии ученого.

В настоящее время технологии беспроводного заряда активно развиваются, рост количества различных мобильных устройств требует разработки и внедрения технологии беспроводного заряда с целью повышения удобства и комфорта использования.

Отдельное направление – это применение данной технологии в медицине, поскольку ряд устройств обеспечивающих жизнедеятельность человека (кардиостимуляторы, инфузионные насосы и т.д.) требуют регулярной подзарядки или замены источника питания, а для этого, как правило, необходимо хирургическое вмешательство.

Широкие возможности применения этой технологии у промышленных предприятий: зарядка автомобильных аккумуляторов, электробусов, в некоторых источниках описываются возможности интеграции системы беспроводного заряда в структуру дорожного покрытия. В военной отрасли потенциал применения этой системы также достаточно высок (применение военных касок, питаемых от жилета без использования проводов; использование радиоуправляемых машин и беспилотных летательных аппаратов для проведения диверсионных и разведывательных операций).

Таким образом технология беспроводной передачи электроэнергии и ее использование в повседневной жизни это лишь вопрос времени.

4.Виды беспроводной передачи энергии

Понятие «беспроводная передача энергии» является собирательным термином, который относится к числу различных технологий для передачи энергии с помощью электромагнитных полей. Такие технологии, прежде всего, характеризуются расстоянием, на которое они могут передавать мощность с максимальной эффективностью, а также используемым типом электромагнитной энергии: изменяющееся во времени электрические и магнитные поля, радиоволны, сверхвысокочастотные (СВЧ) излучения и видимые световые волны.

Беспроводная передача энергии касается многочисленного разнообразия сфер применения, в том числе и беспроводной зарядки аккумуляторов. В последнее время, как производитель, так и потребитель устремили свое внимание на возможность беспроводной передачи энергии в установках, нацеленных на массового потребителя, в частности, на технологию беспроводной зарядки аккумуляторов.В общем понятии, рассматривая любой из методов беспроводной передачи энергии, можно однозначно сказать, что схема осуществления передачи энергии основана на передающем элементе (антенна или связанные катушки), подключенного к источнику питания, и принимающем элементе, подключенного на нагрузку

Метод электромагнитной индукции

В этом случае используется электромагнитное поле. Благодаря явлению взаимной индукции, на вторичной обмотке устройства создается наведенный ток с первичной обмотки. Для эффективного взаимодействия необходимо близкое расположение обмоток, так как в противном случае большая часть энергии поля тратится впустую. Описанное устройство представляет собой знакомый всем трансформатор. Действительно, раз обмотки не связаны физически, то электричество передается беспроводным способом (рис. 3). Применяется данный способ для зарядки мобильных устройств, медицинских имплантатов и электромобилей. Кроме того, метод нашел применение в технологиях радиочастотной идентификации (RFID).

Метод магнитно-резонансной индукции

Данный метод отличается от вышеприведенного метода в том, что использование резонанса между двумя катушками увеличивает дальность передачи. Действительно, при магнитно-резонансной индукции передающая и принимающая катушка настроены на одинаковую частоту, поэтому амплитуда электромагнитных волн возрастает, следовательно, передача энергии происходит более эффективно, чем в методе электромагнитной индукции.

В связи с этим, значительная величина мощности передается между двумя LC-катушками, настроенными в резонанс, при относительно невысоком коэффициенте связи между ними. Обычно, передающая и принимающая катушка представляет собой спираль или один или несколько однослойных витков.

Метод электростатической индукции

Метод электростатической индукции. Представляет собой процесс передачи энергии через диэлектрик (рис. 5). Метод был впервые применен Теслой для питания беспроводных ламп по воздуху (который является диэлектриком). В будущем планируется, что устройства будут получать энергию из воздуха, посредством передающего терминала. По сути, этот процесс схож с разрядом конденсатора.

Метод микроволнового излучения

Ученые рассчитали, что передавать энергию становится более эффективно, если использовать меньшие длины волн. В микроволновом диапазоне для передачи энергии используется ректенна – устройство по принципу действия обратное излучающей антенне. Ректенна позволяет преобразовывать энергии с КПД 90-95%. Данный способ планируется применять для передачи энергии космическим и орбитальным аппаратам.

Уходя в более высокий диапазон частот, ученый нашли еще один способ беспроводной передачи энергии – лазерный. Он заключается в передаче энергии посредством светового луча и последующего его преобразования в электричество в фотодетекторе. К преимуществам относится высокая фокусировка луча, а к недостаткам – низкий КПД.

5.Сферы применения беспроводной передачи энергии

 Одной из сфер применения технологии беспроводной передачи энергии является беспроводные зарядные устройства, а именно беспроводная зарядка смартфонов, планшетных компьютеров, цифровых фото- и видеокамер и прочих гаджетов. Многочисленные адаптеры и зарядные устройства разных производителей, отличающиеся электрическими характеристиками и конструкциями, становятся существенной проблемой для владельцев такого рода оборудования, поэтому переход к универсальным зарядным устройствам является весьма важным вопросом потребителей. Зачастую пользователь сталкивается с проблемой замены старого зарядного устройства при покупке нового телефона или другого высокотехнологичного гаджета, также весьма печально обстоят дела с распутыванием «паутины» проводов в поиске нужного зарядного устройства, поэтому широкое внедрение универсального зарядного устройства освободит пользователей от подобного рода проблем.

Особо стоит отметить, что технологии беспроводной передачи энергии могут успешно применяться не только в беспроводной зарядке интеллектуальных гаджетов, но и в промышленной отрасли: заряд аккумуляторов транспортных средств, имплантируемых устройств в медицине, в военной технике, в качестве источника энергии для светодиодного освещения в помещении и многое др.

В медицине использование разнообразных имплантируемых устройств в сердце человека требует со временем их подзарядки. Такими устройствами являются кардиостимуляторы, инфузионные насосы и другие, поэтому широкое внедрение беспроводных систем зарядки для замены элементов питания в таких устройствах, позволяет отказаться от хирургического вмешательства  

Еще одним ярким примером использования беспроводной зарядки является зарядка аккумуляторов автомобилей. В настоящее время такие системы уже обеспечивают передачу мощности на транспортные средства величиной 3,3 кВт с высокой эффективностью на расстоянии 10-20 см. В таком случае, для осуществления зарядки индуцированным способом, автомобиль достаточно расположить над передающим устройством, в то время как процесс зарядки начнется автоматически

В военной отрасли технологию беспроводной передачи электроэнергии используют в технике военного назначения для повышения надежности, безопасности электронных устройств и эргономичности. К таким технологиям можно отнести военные каски, в которых электронные устройства питаются от батарей, расположенных в специальном жилете солдата, что исключает необходимость соединения проводов или одноразовых батарей, а также радиоуправляемые машины-саперы и различного рода беспилотники.

6.Заключение

В результате проведённой работы я изучил большое количество теории, связанной со способами беспроводной передачи энергии.

Также я была очень рада узнать, что технология беспроводной передачи энергии получает довольное широкое распространение в современном мире, что беспроводная передача энергии была бы очень полезна для общества.

Данный раздел физики глубоко проник практически во все сферы нашей жизни, поэтому невозможно отрицать его важность и нужность.

Да и у некоторых сторонников новаторства в области бытовой электроники могут найтись устройства, работающие по данной технологии. Например, электрическая зубная щётка, работающая не от батареек, а от аккумулятора.

Технология беспроводной передачи энергии поистине является революционной для нынешнего общества, т.к.начинает получать широкое распространение уже сегодня. Хотя первые масштабные опыты были проведены Николой Тесла чуть более ста лет назад, данная технология только сейчас перешла на более глобальный уровень. И можно с уверенностью сказать, что в ближайшее время именно она в процессе непосредственного развития станет

7.Список литературы:

1. Бородин Р.Ю. // Беспроводная передача данных в системе контроля и учета электроэнергии // В сборнике: Наука в современном мире: теория и практика. Материалы V Международной научно-практической конференции. Уфа. 2017. С. 106-110.

2. Автоматизированная система управления технологическим процессом / В.И.Долженко, А.А.Автомонов, Н.В.Картечина, Н.В.Пчелинцева // Наука и Образование. 2020. Т. 3. No 2. С. 25.

3. Некрасова Т.А., Гурьянов Д.В., Зайцев Ю.К. Исследование трехфазной асинхронной машины с короткозамкнутым ротором на основе виртуальной лабораторной установки // В сборнике: Инженерное обеспечение инновационных технологий в АПК. Материалы международной научно- практической конференции. Мичуринск. 2017. С. 259-269.

4. Стребков Д.С., Руцкой А.С., Моисеев М.В. Исследование беспроводной резонансной системы передачи электроэнергии // Инновации в сельском хозяйстве. 2016. No 2 (17). С. 96-101.

5. Леонов Е.В., Абросимов В.А. Беспроводная передача электроэнергии // Интернаука. 2021. No 44-3 (220). С. 91-93.

6. Андрияш Е.В. Беспроводная передача электроэнергии // В сборнике: Актуальные вопросы энергетики. Материалы IV Всероссийской научной конференции обучающихся с международным участием, посвященной к профессиональному празднику "День энергетика" и 65-летию Дальневосточного ГАУ. Благовещенск. 2016. С. 21-26.