Беспроводная передача электричества по теории тесла

Основные технологические процессы в электроэнергетике

Нормативы потребления электроэнергии на человека без счетчика

Производство электроэнергии в России базируется на трёх китах энергетической системы. Это атомная, тепловая и гидроэнергетика.

Три вида генерирования электричества

Электростанция	Топливо	Генерация
ТЭС	Уголь, мазут	Получение пара от сгорания топлива, который движет турбины генераторов
ГЭС	Потенциальная энергия потока воды	Движение турбин под напором воды
АЭС	Урановые сердечники	Получение пара от тепла ядерной реакции. Энергия пара движет генераторные паротурбины

Ультразвуковой способ

Студентами Пенсильванского университета (США) на недавней выставке в 2011 году был продемонстрирован способ передачи электротока с помощью ультразвука. Передатчик генерировал акустические волны в ультразвуковом диапазоне, приёмник преобразовывал их в электрический ток. В качестве носителя энергии ультразвук был выбран не случайно. Его воздействие на организм человека абсолютно безвредно.

Несовершенство этого способа заключается в том, что КПД передачи очень низкий, нужны прямая видимость между абонентами и ограниченность расстояния (7-10 метров).

Метод электромагнитной индукции

Работа обыкновенного трансформатора даёт представление о том, как осуществляется передача электричества без проводов методом электромагнитной индукции. В процессе участвуют две катушки. Магнитное поле, возбуждаемое протекающим током по виткам первичной обмотки, индуцирует электрический поток во вторичной обмотке трансформатора.

Примерами использования эффекта электромагнитной индукции могут быть зарядные устройства смартфонов и электрические зубные щётки. Недостатком такого способа передачи энергии является непременная близость катушек. Даже при небольшом увеличении промежутка между обмотками большая часть энергии начинает распыляться в пространстве.

Один из видов электромагнитной индукции – это использование резонанса. Суть способа заключается в том, что приёмник и передатчик функционируют в одном частотном диапазоне. Передающее и приёмное устройства представляют собой соленоид с одним слоем витков. Генерирующий прибор оснащён конденсаторной схемой, с помощью которой он настраивается на частоту приёмника.

Демонстрация метода электромагнитной индукции

Электростатическая индукция

В основе метода заложен принцип прохождения энергии через тело диэлектрика. Способ называют ёмкостной связью. Генератор создаёт в ёмкости электрическое поле, которое возбуждает разницу потенциалов между двумя электродами потребителя.

Никола Тесла для демонстрации беспроводной лампы освещения использовал именно метод электростатической индукции. Лампа получала питание от переменного электрического поля высокой частоты. Она светилась ровно, независимо от её перемещения в пространстве комнаты.

Микроволновое излучение

Специалисты космотехники разработали способ передачи электроэнергии от орбитальных солнечных батарей на космические корабли с помощью радиосигнала микроволнового диапазона. Проблема этого метода состоит в том, что для приёма и передачи пучкового излучения требуются антенны с очень большой диафрагмой.

Учёные НАСА в 1978 году пришли к выводу, что для передачи микроволнового луча частотой 2,45 ГГц излучающая антенна должна иметь диаметр отражающей поверхности 1 км. Приёмная ректенна должна быть диаметром 10 км. Уменьшить эти размеры возможно путём использования сверхкоротких волн. Однако сигналы такого диапазона быстро поглощаются атмосферой или блокируются дождевыми осадками.

Обратите внимание! Безопасная плотность мощности излучаемой энергии равняется 1 мВт/см2. Этой норме отвечает антенна диаметром 10 км с передающей мощностью потенциала 750 МВт

Электропроводность Земли

Существует теория использования недр и океанов Земли для беспроводной передачи энергии. Электропроводимость гидросферы, залежей металлических руд может быть использована для передачи низкочастотного переменного тока. Электростатическая индукция диэлектрических тел может возникать в огромных залежах кварцевого песка и тому подобных минералов.

Передача электрического тока возможна также через воздушное пространство методом электростатической индукции. Никола Тесла в своё время выдвинул предположение, что в будущем появятся технологии, которые для передачи электроэнергии будут использовать землю, океанические воды и атмосферу планеты.

Всемирная беспроводная система

Впервые о Всемирной беспроводной системе передачи электроэнергии стало известно от великого учёного Теслы. В 1904 году он заявил, что создание ВБС, используя высокую электрическую проводимость плазмы и Земли, вполне осуществимо.

Пропускная способность линий электропередач

Напряжение в конце линии неизбежно ниже, чем в её начале. Вольтаж теряется на сопротивлении проводов ЛЭП. Именно эта разница напряжений уходит впустую на обогрев вселенной.

Такая проблема приводит к тому, что невозможно создать линию электропередач бесконечной длины и передать по ней неограниченную мощность. Поэтому введено понятие – пропускная способность ЛЭП. Данная характеристика в первую очередь зависит от длины линии, металла, из которого сделаны её провода и их сечения. Потери в меди менее ощутимы, чем у алюминия. Пропускная способность линии тем выше, чем толще её провода.

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

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

Технология беспроводной передачи электроэнергии

Беспроводная передача электрической энергии (WPT) позволяет подавать питание через воздушный зазор без необходимости использования электрических проводов. Беспроводная передача электроэнергии может обеспечить питание от источника переменного тока для совместимых аккумуляторов или устройств без физических разъемов и проводов. Беспроводная передача электрической энергии может обеспечить заряд мобильных телефонов и планшетных компьютеров, беспилотных летательных аппаратов, автомобилей и прочего транспортного оборудования. Она может даже сделать возможной беспроводную передачу в космосе электроэнергии, полученной от солнечных панелей.

Беспроводная передача электрической энергии начала свое быстрое развитие в области бытовой электроники, заменяя проводные зарядные устройства. На выставке CES 2017 будет показано множество устройств, использующих беспроводную передачу электроэнергии.

Однако концепция передачи электрической энергии бес проводов возникла примерно в 1890-х годах. Никола Тесла в своей лаборатории в Колорадо Спрингс мог без проводов зажечь электрическую лампочку, используя электродинамическую индукцию (используемой в резонансном трансформаторе).

Изображение из патента Теслы на «устройство для передачи электрической энергии», 1907 год

Были зажжены три лампочки, размещенные на расстоянии 60 футов (18 метров) от источника питания, и демонстрация была задокументирована. У Теслы были большие планы, он надеялся, что его башня Ворденклиф, расположенная на Лонг-Айленд, будет без проводов передавать электрическую энергию через Атлантический океан. Этого никогда не произошло из-за различных проблем, в том числе, и с финансированием и сроками.

Беспроводная передача электрической энергии использует поля, создаваемые заряженными частицами, для переноса энергии через воздушный зазор между передатчиками и приемниками. Воздушный зазор закорачивается с помощью преобразования электрической энергии в форму, которая может передаваться по воздуху. Электрическая энергия преобразуется в переменное поле, передается по воздуху, и затем с помощью приемника преобразуется в пригодный для использования электрический ток. В зависимости от мощности и расстояния, электрическая энергия может эффективно передаваться через электрическое поле, магнитное поле или электромагнитные волны, такие как радиоволны, СВЧ излучение или даже свет.

В следующей таблице перечислены различные технологии беспроводной передачи электрической энергии, а также формы передачи энергии.

Технологии беспроводной передачи электрической энергии (WPT)

Технология	Переносчик электрической энергии	Что позволяет передавать электрическую энергию
Индуктивная связь	Магнитные поля	Витки провода
Резонансная индуктивная связь	Магнитные поля	Колебательные контуры
Емкостная связь	Электрические поля	Пары проводящих пластин
Магнитодинамическая связь	Магнитные поля	Вращение постоянных магнитов
СВЧ излучение	Волны СВЧ	Фазированные ряды параболических антенн
Оптическое излучение	Видимый свет / инфракрасное излучение / ультрафиолетовое излучение	Лазеры, фотоэлементы

Беспроводная передача энергии в применении к соединителям

Глядя на рынок традиционных электрических соединителей, легко заключить, что не бывает универсальных соединителей, годных на все случаи жизни. Существует широкое разнообразие изделий, различающихся по размерам и числу контактов. Логично ожидать, что и WiCo будут подразделяться на различные типы. Поэтому разработчики и клиенты (в данном случае производители комплектного оборудования) должны осознавать, что, как и в случае традиционных соединителей, для большинства WiCo потребуется заказная разработка.

Большинство представленных на рынке изделий, в которых беспроводная передача энергии применяется для зарядки аккумуляторов, выполнены в соответствии с тем или иным признанным стандартом (например, Qi или AirFuel ), чтобы соблюсти требования к функциональной совместимости и техническим характеристикам. Но эти стандарты предназначены, главным образом, для применения в мобильных гаджетах и бытовой электронике. В некоторых случаях ту же аппаратную часть можно было бы приспособить для других целей, но при этом придется столкнуться с ограничениями — например, наводки, скорость передачи данных, спецификация и т. д., поскольку конструкция системы с WiCo зависит от ряда факторов:

• Радиус действия, т. е. максимально допустимое расстояние (воздушный промежуток) между передатчиком и приемником по всем трем осям (X, Y, Z).
• Потребная выходная мощность приемника (стабилизированное выходное напряжение и максимальный ток нагрузки, которые должен обеспечивать соединитель).
• Тепловые режимы. Этот фактор тесно связан с полным КПД системы (отношением мощности на выходе к мощности на входе). В некоторых применениях не допускается повышение температуры сверх некоторого значения.
• Габариты. Геометрические размеры передатчика и приемника являются зачастую одним из ключевых ограничений.
• Стойкость к воздействию внешних факторов. К примеру, WiCo не страшен контакт с жидкостями.
• Себестоимость. В зависимости от применения она может играть значительную роль.

Отметим, что для WiCo может не требоваться функциональная совместимость, поскольку системы, в которых они применяются, обычно «закрытые», т. е. всегда комплектуются известными (подобранными друг к другу) передатчиком и приемником. Это открывает разработчикам возможности для индивидуальной модификации и оптимизации себестоимости.

Несмотря на вышесказанное, можно предположить, что некоторые классы WiCo будут стандартизированы, как это произошло с USB в случае электрических соединителей. При этом, чтобы получить статус стандарта, соединитель должен решать некоторую задачу, которая часто встречается в одной или нескольких отраслях.

Способы передачи электроэнергии

Знакомство с пиковыми и другими зонами тарификации электроэнергии

Наиболее распространены два способа передачи электроэнергии: с помощью воздушных и кабельных линий. Они отличаются между собой по дальности и среде, в которой находится проводник.

Воздушные линии – это, упрощённо, медные или алюминиевые проводники, подвешенные через изоляторы на металлические или железобетонные опоры. При таком методе возможна передача электричества на большие расстояния и между разными государствами.

Кабельная линия – прокладка проводов под землёй. Отдельные токоведущие жилы расположены, как правило, в резиновой или ПВХ изоляции. Если напряжение высокое, то имеется и броня из металлической ленты. Также она служит в качестве экрана для защиты от помех. Встречается преимущественно в пределах города или предприятия.

Прокладка кабелей

Дополнительная информация. Применяя кабельные линии, возможно транспортировать электроэнергию по дну водоёмов и даже морей. Это позволяет поставлять электричество на острова. Применение ЛЭП таких возможностей не подразумевает.

Плюсы и минусы

Конечно, у этого изобретения есть свои преимущества перед проводными методиками, и недостатки. Предлагаем их рассмотреть.

К достоинствам относятся:

1. Полное отсутствие проводов;
2. Не нужны источники питания;
3. Необходимость батареи упраздняется;
4. Более эффективно передается энергия;
5. Значительно меньше нужно технического обслуживания.

К недостаткам же можно отнести следующее:

• Расстояние ограничено;
• магнитные поля не так уж и безопасны для человека;
• беспроводная передача электричества, с помощью микроволн или прочих теорий практически неосуществима в домашних условиях и своими руками;
• высокая стоимость монтажа.

Беспроводное электричество взаимодействует с металлом

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

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

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

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

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

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

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

Ко всему прочему, процесс зарядки более нестабилен.

История развития

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

И в 1899 году Тесла пришел к выводу:

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

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

Классификация линий электропередач

Беспроводная передача электроэнергии

Существует множество разновидностей ЛЭП. Каждый из видов заточен под свои определённые нужды и задачи. В соответствии с этим, ПУЭ регламентирует следующую классификацию воздушных линий электропередач.

По классу напряжению ЛЭП бывают:

• низковольтные, до 1 кВ;
• высоковольтные, свыше 1 кВ.

По назначению:

• Межсистемные линии с напряжением от 500 кВ и выше;
• Магистральные, 220-500 кВ;
• Распределительные, 110-220 кВ;
• Линии 35 кВ для питания сельхоз потребителей;
• ЛЭП 1-20 кВ, используемые в пределах одного населённого пункта.

Род электрического тока в ЛЭП подразделяются на:

• переменный (практически все линии);
• постоянный ток (встречается редко, в основном 3,3 кВ контактной сети железной дороги).

Передача энергии через катушки

Самый легко реализуемый способ — использование катушек индуктивности.

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

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

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

маленькая мощность

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

небольшое расстояние

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

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

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

Но в какие суммы выльется строительство таких магистралей.

малый КПД

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

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

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