Открыл закон (после названный в честь открывателя законом Ампера), показывающий, что электрический ток производит магнитное поле.
- В 2007 году исследовательская группа под руководством профессора Марина Солячича из передала беспроводным способом на расстояние 2 м энергию мощностю, достаточной для свечения лампочки мощностью 60 ватт , с КПД , равным 40 % , с помощью двух катушек диаметром 60 см .
- В 2008 году фирма «Bombardier» предложила систему для беспроводной передачи энергии, названную «primove» и предназначенную для применения в трамваях и двигателях малотоннажной железной дороги .
- В 2008 году сотрудники фирмы Intel воспроизвели опыты Никола Тесла 1894 года и опыты группы Джона Брауна 1988 года по беспроводной передаче энергии для свечения ламп накаливания с КПД , равным 75 % .
- В 2009 году консорциум заинтересованных компаний, названный «Wireless Power Consortium», разработал стандарт беспроводного питания для малых токов, названный « » . Qi стал применяться в портативной технике.
- В 2009 году норвежская компания «Wireless Power & Communication» представила разработанный ею промышленный фонарь, способный безопасно работать и перезаряжаться бесконтактным способом в атмосфере, насыщенной огнеопасным газом.
- В 2009 году фирма «Haier Group» представила первый в мире полностью беспроводной LCD-телевизор, основанный на исследованиях профессора Марина Солячича по беспроводной передаче энергии и беспроводном домашнем цифровом интерфейсе (WHDI) .
- В 2011 году «Wireless Power Consortium» приступил к расширению спецификаций стандарта Qi для средних токов.
- В 2012 году начал работу частный петербургский музей «Гранд Макет Россия », в котором миниатюрные модели автомобилей получали электропитание беспроводным способом через модель дорожного полотна.
- В 2015 году учёные из Вашингтонского университета выяснили, что электричество можно передавать посредством технологии Wi-Fi .
Технологии
Ультразвуковой способ
Ультразвуковой способ передачи энергии изобретён студентами университета Пенсильвании и впервые широкой публике представлен на выставке «The All Things Digital» (D9) в 2011 году. Как и в других способах беспроводной передачи чего-либо, использовался приёмник и передатчик. Передатчик излучал ультразвук; приёмник, в свою очередь, преобразовывал слышимое в электричество. На момент презентации расстояние передачи достигало 7-10 метров , и была необходима прямая видимость приёмника и передатчика. Передаваемое напряжение достигало 8 вольт ; получаемая сила тока не сообщается. Используемые ультразвуковые частоты никак не действуют на человека. Также нет сведений и об отрицательном воздействии ультразвуковых частот на животных.
Метод электромагнитной индукции
При беспроводной передаче энергии методом электромагнитной индукции используется 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, создаёт 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, всё 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 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 щёток являются примерами использования принципа электродинамической индукции. Индукционные плиты также используют этот метод. Основным недостатком метода беспроводной передачи является крайне небольшое расстояние его действия. Приёмник 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 приёмник настроены на одну частоту. Производительность может быть улучшена ещё больше путём изменения формы волны управляющего тока от синусоидальных до несинусоидальных переходных 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 приёмная 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 приёмника (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 являющемуся беспроводным передатчиком электрической энергии.
Электростатическая индукция
Лазерный метод
В том случае, если длина волны электромагнитного излучения приближается к видимой области спектра (от 10 мкм до 10 нм ), энергию можно передать путём её преобразования в луч лазера , который затем может быть направлен на фотоэлемент приёмника.
Лазерная передача энергии по сравнению с другими методами беспроводной передачи обладает рядом преимуществ:
- передача энергии на большие расстояния (за счёт малой величины угла расходимости между узкими пучками монохроматической световой волны);
- удобство применения для небольших изделий (благодаря небольшим размерам твердотельного лазера - фотоэлектрического полупроводникового диода);
- отсутствие радиочастотных помех для существующих средств связи, таких, как Wi-Fi и сотовые телефоны (лазер не создаёт таких помех);
- возможность контроля доступа (получить электроэнергию могут только приёмники, освещённые лазерным лучом).
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;
- необходимость прямой видимости между передатчиком и приёмником (как и при микроволновой передаче).
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 позволяют увеличить рабочую мощность и дистанцию, как длина волны влияет на фокусировку.
Драйденский лётно-исследовательский центр НАСА продемонстрировал полёт лёгкого беспилотного самолёта-модели, питаемого лазерным лучом. Это доказало возможность периодической подзарядки посредством лазерной системы без необходимости приземления летательного аппарата.
Переменный ток может передаваться через слои атмосферы, имеющие атмосферное давление менее 135 мм рт. ст . Ток протекает посредством электростатической индукции через нижние слои атмосферы примерно в 2-3 милях (3,2-4,8 километрах ) над уровнем моря и благодаря потоку ионов, то есть электрической проводимости через ионизированную область, расположенную на высоте выше 5 км . Интенсивные вертикальные пучки ультрафиолетового излучения могут быть использованы для ионизации атмосферных газов непосредственно над двумя возвышенными терминалами, приводя к образованию плазменных высоковольтных линий электропередач, ведущих прямо к проводящим слоям атмосферы. В результате между двумя возвышенными терминалами образуется поток электрического тока, проходящий до тропосферы, через неё и обратно на другой терминал. Электропроводность через слои атмосферы становится возможной благодаря ёмкостному плазменному разряду в ионизированной атмосфере .
Никола Тесла обнаружил, что электроэнергия может передаваться и через землю, и через атмосферу. В ходе своих исследований он добился возгорания лампы на умеренных расстояниях и зафиксировал передачу электроэнергии на больших дистанциях. Башня Ворденклиф задумывалась как коммерческий проект по трансатлантической беспроводной телефонии и стала реальной демонстрацией возможности беспроводной передачи электроэнергии в глобальном масштабе. Установка не была завершена из-за недостаточного финансирования .
Земля является естественным проводником и образует один проводящий контур. Обратный контур реализуется через верхние слои тропосферы и нижние слои стратосферы на высоте около 4,5 миль (7,2 км ) .
Глобальная система передачи электроэнергии без проводов, так называемая „Всемирная беспроводная система“, основанная на высокой электропроводности плазмы и высокой электропроводности земли, была предложена Николой Тесла в начале 1904 года и вполне могла стать причиной Тунгусского метеорита , возникшего в результате „короткого замыкания“ между заряженной атмосферой и землей .
Всемирная беспроводная система
Ранние эксперименты известного сербского изобретателя Никола Теслы касались распространения обычных радиоволн, то есть волн Герца, электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве.
В 1919 году Никола Тесла писал: «Считается, что я начал работу над беспроводной передачей в 1893 году, но на самом деле два предыдущих года я проводил исследования и конструировал аппаратуру. Для меня было ясно с самого начала, что успеха можно достичь благодаря ряду радикальных решений. Высокочастотные генераторы и электрические осцилляторы должны были быть созданы в первую очередь. Их энергию необходимо было преобразовать в эффективных передатчиках и принять на расстоянии надлежащими приёмниками. Такая система была бы эффективна в случае исключения любого постороннего вмешательства и обеспечения её полной исключительности. Со временем, однако, я осознал, что для эффективной работы устройств такого рода они должны разрабатываться с учётом физических свойств нашей планеты».
Одним из условий создания всемирной беспроводной системы является строительство резонансных приёмников. Заземлённый винтовой резонатор катушки Теслы и расположенный на возвышении терминал могут быть использованы в качестве таковых. Тесла лично неоднократно демонстрировал беспроводную передачу электрической энергии от передающей к приёмной катушке Теслы. Это стало частью его беспроводной системы передачи (патент США № 1119732 от 18 января 1902 года, «Аппарат для передачи электрической энергии»). Тесла предложил установить более тридцати приёмо-передающих станций по всему миру. В этой системе приёмная катушка действует как понижающий трансформатор с высоким выходным током. Параметры передающей катушки тождественны приёмной.
Целью мировой беспроводной системы Теслы являлось совмещение передачи энергии с радиовещанием и направленной беспроводной связью, которое бы позволило избавиться от многочисленных высоковольтных линий электропередачи и содействовало бы объединению электрических генераторов в глобальном масштабе.
См. также
- WiTricity
Примечания
- «Electricity at the Columbian Exposition», by John Patrick Barrett. 1894, pp. 168-169 (англ.)
- Experiments with Alternating Currents of Very High Frequency and Their Application to Methods of Artificial Illumination, AIEE, Columbia College, N.Y., May 20, 1891 (англ.)
- Experiments with Alternate Currents of High Potential and High Frequency, IEE Address, London, February 1892 (англ.)
- On Light and Other High Frequency Phenomena, Franklin Institute, Philadelphia, February 1893 and National Electric Light Association, St. Louis, March 1893 (англ.)
- The Work of Jagdish Chandra Bose: 100 years of mm-wave research (англ.)
- Jagadish Chandra Bose (англ.)
- Nikola Tesla On His Work With Alternating Currents and Their Application to Wireless Telegraphy, Telephony and Transmission of Power, pp. 26-29. (англ.)
- June 5, 1899, Nikola Tesla Colorado Spring Notes 1899-1900, Nolit, 1978 (англ.)
- Nikola Tesla: Guided Weapons & Computer Technology (англ.)
- The Electrician (London), 1904 (англ.)
- Scanning the Past: A History of Electrical Engineering from the Past, Hidetsugu Yagi
- Тетельбаум С. И. О беспроводной передаче электроэнергии на большие расстояния с помощью радиоволн // Электричество. - 1945. - № 5 . - С. 43-46 .
- Костенко А. А. Квазиоптика: исторические предпосылки и современные тенденции развития // Радиофизика и радиоастрономия. - 2000. - Т. 5 , № 3 . - С. 231 .
- A survey of the elements of power Transmission by microwave beam, in 1961 IRE Int. Conf. Rec., vol.9, part 3, pp.93-105 (англ.)
- IEEE Microwave Theory and Techniques, Bill Brown’s Distinguished Career (англ.)
- Power from the Sun: Its Future, Science Vol. 162, pp. 957-961 (1968)
- Solar Power Satellite patent (англ.)
- History of RFID (англ.)
- Space Solar Energy Initiative (англ.)
- Wireless Power Transmission for Solar Power Satellite (SPS) (Second Draft by N. Shinohara), Space Solar Power Workshop, Georgia Institute of Technology (англ.)
- W. C. Brown: The History of Power Transmission by Radio Waves: Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on September, 1984, v. 32 (9), pp. 1230-1242 (англ.)
- Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances
(англ.)
. Science (7 June 2007). Проверено 6 сентября 2010. Архивировано 29 февраля 2012 года.
,
Заработал новый способ беспроводной передачи электричества (рус.) . MEMBRANA.RU (8 июня 2007). Проверено 6 сентября 2010. Архивировано 29 февраля 2012 года. - Bombardier PRIMOVE Technology
- Intel imagines wireless power for your laptop (англ.)
- wireless electricity specification nearing completion
- Global Qi Standard Powers Up Wireless Charging - HONG KONG, Sept. 2 /PRNewswire/
- TX40 and CX40, Ex approved Torch and Charger (англ.)
- Haier’s wireless HDTV lacks wires, svelte profile (video) (англ.)
,
Беспроводное электричество поразило своих создателей (рус.) . MEMBRANA.RU (16 февраля 2010). Проверено 6 сентября 2010.
Всем известно, что Никола Тесла является изобретателем таких повсеместно используемых вещей как переменный ток и трансформатор. Но далеко не все ученые знакомы с другими изобретениями Теслы.
Мы используем переменный ток. Мы используем трансформаторы. В любой квартире. Трудно представить как можно обходиться без этих изобретений. Но КАК мы их используем? Тесла использовал эти известные нам (как нам кажется) вещи совсем по-другому. Как мы подключаем любой электроприбор в сеть? Вилкой - т.е. двумя проводниками. Если мы подключим только один проводник, тока не будет - цепь не замкнута.
Тесла демонстрировал эффект передачи мощности по одному проводнику. Более того, в других экспериментах он передавал мощность вообще без проводов. Великий изобретатель смог в конце XIX века передать без проводов электрическую энергию на расстояние свыше 40 километров. Поскольку этот широко известный эксперимент Теслы до сих пор не повторен, нашим читателям наверняка будут интересны подробности этой истории, а также современное состояние проблемы передачи электрической энергии без проводов.
Биография американского изобретателя, серба по происхождению, Николы Теслы достаточно известна, и мы на ней останавливаться не будем. Но сразу уточним: прежде чем продемонстрировать свой уникальный эксперимент, Тесла, сначала в 1892 году в Лондоне, а через год в Филадельфии, в присутствии специалистов продемонстрировал возможность передачи электрической энергии по одному проводу, не используя при этом заземления второго полюса источника энергии.
И тогда же у него возникла идея использовать в качестве этого единственного провода... Землю! И в этом же году на съезде ассоциации электрического освещения в Сант-Льюисе он продемонстрировал электрические лампы, горящие без подводящих проводов, и работающий без подключения к электрической сети электромотор. Эту необычную экспозицию он прокомментировал следующим образом: «Несколько слов об идее, постоянно занимающей мои мысли и касающейся всех нас. Я имею в виду передачу сигналов, а также и энергии на любое расстояние без проводов. Мы уже знаем, что электрические колебания могут передаваться по единственному проводнику. Почему же не воспользоваться для этой цели Землей? Если мы сможем установить период колебаний электрического заряда Земли при его возмущении, связанном с действием противоположно заряженной цепи, это будет фактом чрезвычайной важности, который послужит на благо всего человечества».
Увидя столь эффектную демонстрацию, такие известные олигархи, как Дж. Вестингауз и Дж. П. Морган, вложили в это перспективное дело свыше миллиона долларов, купив у Теслы его патенты (громадные, кстати, по тем временам деньги!). На эти средства в конце 90-х годов XIX века Тесла сооружает в Колорадо-Спрингс свою уникальную лабораторию. Подробные сведения об экспериментах в лаборатории Теслы изложены в книге его биографа Джона О’Нейла «Электрический Прометей» (в нашей стране ее перевод был опубликован в журнале «Изобретатель и рационализатор» №4-11 за 1979 год). Приведем здесь лишь краткую выдержку из нее, чтобы не ссылаться на более поздние перепечатки: «В Колорадо-Спрингс Тесла провел первые испытания беспроводной передачи электроэнергии. Он смог питать током, извлекаемым из Земли во время работы гигантского вибратора, 200 электрических лампочек накаливания, расположенных на расстоянии 42 километа от его лаборатории. Мощность каждой составляла 50 ватт, так что суммарный расход энергии составлял 10 кВт, или 13 л.с. Тесла был убежден, что с помощью более мощного вибратора он смог бы зажечь дюжину электрических гирлянд по 200 лампочек в каждой, разбросанных по всему земному шару».
Самого же Теслу настолько вдохновили успехи этих экспериментов, что он заявил в широкой печати, что намерен осветить Всемирную промышленную выставку в Париже, которую предполагалось провести в 1903 году, энергией электростанции, расположенной на Ниагарском водопаде и переданной в Париж без проводов. Известно по многочисленным фотографиям и описаниям очевидцев и помощников изобретателя, что представлял собой генератор энергии, передаваемой на 42 километра без проводов (правда, это чисто журналистский термин: один провод, в качестве которого выступала Земля, в этой цепи присутствует, и об этом прямо говорят и сам Тесла, и его биограф).
То, что Тесла называл вибратором, было гигантским трансформатором его системы, имевшим первичную обмотку из нескольких витков толстого провода, намотанных на ограде диаметром 25 метров, и размещенную внутри нее многовитковую однослойную вторичную обмотку на цилиндре из диэлектрика. Первичная обмотка вместе с конденсатором, индукционной катушкой и искровым промежутком образовывала колебательный контур-преобразователь частоты. Над трансформатором, располагавшимся в центре лаборатории, возвышалась деревянная башня высотой 60 метров, увенчанная большим медным шаром. Один конец вторичной обмотки трансформатора соединялся с этим шаром, другой - заземлялся. Все устройство питалось от отдельной динамо-машины мощностью 300 л.с. В нем возбуждались электромагнитные колебания частотой 150 килогерц (длина волны 2000 метров). Рабочее напряжение в высоковольтной цепи составляло 30 000 В, а резонирующий потенциал шара достигал 100 000 000 В, порождая искусственные молнии длиной в десятки метров! Вот как объясняет работу вибратора Теслы его биограф: «В сущности, Тесла «накачивал» в Землю и извлекал оттуда поток электронов. Частота накачки составляла 150 кГц. Распространяясь концентрическими кругами все дальше от Колорадо-Спрингс, электрические волны сходились затем в диаметрально противоположной точке Земли. Там вздымались и опадали волны большой амплитуды в унисон с поднятыми в Колорадо. Опадая, такая волна посылала электрическое эхо обратно в Колорадо, где электрический вибратор усиливал волну, и она мчалась обратно.
Если привести всю Землю в состояние электрической вибрации, то в каждой точке ее поверхности мы будем обеспечены энергией. Ее можно будет улавливать из мечущихся между электрическими полюсами волн простыми устройствами наподобие колебательных контуров в радиоприемниках, только заземленными и снабженными небольшими антеннами высотой с сельский коттедж. Эта энергия будет обогревать дома и освещать их с помощью трубчатых ламп Теслы, не требующих проводов. Для электромоторов переменного тока понадобились бы только преобразователи частоты».
Сведения об экспериментах Теслы по передаче электроэнергии без проводов вдохновили и других исследователей на работы в этой области. Сообщения об аналогичных экспериментах часто появлялись в печати в начале прошлого века. Стоит привести в связи с этим выдержку из статьи A.M. Горького «Беседы о ремесле», опубликованной в 1930 году: «В текущем году Маркони передал по воздуху электроток из Генуи в Австралию и зажег там электрические лампы на выставке в Сиднее. Это же было сделано 27 лет тому назад у нас, в России, литератором и ученым М.М. Филипповым, который несколько лет работал над передачей электротока по воздуху и в конце концов зажег из Петербурга люстру в Царском Селе (то есть на расстоянии 27 километров. -В.П. ). Тогда на этот факт не было обращено должного внимания, но Филиппова через несколько дней нашли мертвым в своей квартире, а аппараты и бумаги его конфисковала полиция».
Эксперименты Теслы произвели большое впечатление и на другого литератора - Алексея Толстого, бывшего инженером по образованию. А когда Тесла, а затем и Маркони сообщили в печати, что их аппараты принимают странные сигналы внеземного, по-видимому, марсианского происхождения, это вдохновило писателя на написание фантастического романа «Аэлита». В романе марсиане пользуются изобретением Теслы и без проводов передают энергию от расположенных на полюсах Марса электростанций в любую точку планеты. Эта энергия приводит в действие двигатели летающих судов и другие механизмы. Однако построить свою «мировую систему» для обеспечения электроэнергией населения земного шара без использования проводов Тесле не удалось.
Как только в 1900 году он начал возводить на острове Лонг-Айленд под Нью-Йорком научно-исследовательскую лабораторию-городок на 2000 сотрудников и громадную металлическую башню с гигантской медной тарелкой на верхушке, спохватились и «проводные» электрические олигархи: ведь повсеместное внедрение системы Теслы грозило им разорением.
Башня «Уорденклиф» (1902)
На миллиардера Дж.П. Моргана, финансировавшего строительство, последовал жестокий нажим, в том числе и от подкупленных конкурентами правительственных чиновников. (или было наоборот) Начались перебои с поставками оборудования, строительство застопорилось, а когда Морган под этим нажимом прекратил финансирование, и вовсе прекратилось. В начале Первой мировой войны, по наущению тех же конкурентов, правительство США распорядилось взорвать уже готовую башню под надуманным предлогом, что ее могут использовать в целях шпионажа.
Ну а затем электротехника пошла привычным путем.
Долгое время никто не мог повторить эксперименты Теслы хотя бы потому, что потребовалось бы создать аналогичную по размерам и мощности установку. Но в том, что Тесле удалось найти способ передачи электрической энергии на расстояние без проводов, более ста лет назад никто не сомневался. Авторитет Теслы, имевшего рейтинг второго после Эдисона изобретателя, во всем мире был достаточно высок, а его вклад в развитие электротехники переменного тока (в пику Эдисону, ратовавшему за постоянный ток) несомненен. При его экспериментах присутствовало много специалистов, не считая прессы, и никто никогда не пытался уличить его в каких-либо фокусах или подтасовке фактов. О высоком авторитете Теслы свидетельствует и название его именем единицы напряженности магнитного поля. Вот только вывод Теслы о том, что во время эксперимента в Колорадо-Спрингс энергия была передана на расстояние 42 километра с к.п.д., равным около 90%, слишком оптимистичен. Напомним, что общая мощность зажженных на расстоянии ламп составляла 10 кВт, или 13 л.с., в то время как мощность динамо-машины, питавшей вибратор, достигала 300 л.с. То есть можно говорить о к.п.д. всего лишь порядка 4-5%, хотя и эта цифра поразительна. Физическое обоснование экспериментов Теслы по беспроводной передаче электроэнергии до сих пор волнует многих специалистов.
www.elec.ru/news/2003/03/14/1047627665.h tml
Специалисты Массачусетского технологического института сумели заставить гореть лампу накаливания, находящуюся на расстоянии 2-х метров
от источника энергии. rus.newsru.ua/world/08jun2007/tesla.html
Беспроводные зарядники от Intel odessabuy.com/news/item-402.html
"Аргументы и факты" №52, 2008 (24-30 декабря):
НАУКА - Электричество без проводов.
Говорят, что американские ученые сумели передать без проводов электроэнергию мощностью 800 Вт.
Питающиеся неосязаемым способом бытовые приборы, освобождённые от электрических проводов, не первый раз будоражат умы изобретателей. Но именно теперь специалисты подошли к тому, чтобы научить серийные пылесосы, торшеры, телевизоры, автомобили, имплантаты, мобильные роботы и лэптопы эффективно и безопасно получать ток из беспроводного источника.
Недавно команда учёных из Массачусетского технологического института (MIT), возглавляемая Марином Солячичем (Marin Soljačic), совершила очередной шаг на пути превращения технологии беспроводного электричества из лабораторного «фокуса» в пригодную для тиражирования технологию. Совершенно неожиданно они обнаружили эффект, позволяющий поднять КПД передачи. Но прежде чем рассказать о новом эксперименте, стоит сделать отступление.
В качестве переносчика энергии в данном случае используется ближнее магнитное поле, осциллирующее с высокой частотой в несколько мегагерц. Для переброски необходимы две магнитные катушки, настроенные на одинаковую частоту резонанса. Перекачку энергии между ними учёные сравнивают с разрушением резонирующего стеклянного бокала, когда он «слышит» звук строго определённой частоты.
Идеализированные (на данном рисунке) магнитные катушки (жёлтый цвет), окружённые своими полями (красный и синий), передают друг другу энергию на расстоянии D, многократно большем, чем размер самих катушек. Это учёные и называют резонансной магнитной связью (или сцеплением) – Resonant Magnetic Coupling (иллюстрация WiTricity).
В результате взаимодействия катушек и получается то, что было названо «Беспроводным электричеством» (WiTricity). Кстати, слово это — торговая марка, которая принадлежит одноимённой корпорации , основанной Солячичем и рядом его коллег из MIT. Корпорация указывает, что данный термин применим только к её технологии и к продуктам, созданным на её основе. Большая просьба – не использовать «уайтрисити» как синоним беспроводной передачи энергии вообще.
Изобретатели также просят не путать WiTricity с передачей энергии посредством электромагнитных волн: мол, новый метод — «неизлучающий».
И ещё несколько важных «не», указанных создателями. WiTricity — не аналог трансформатора с разведёнными на несколько метров обмотками (последний в таком случае перестаёт работать). Это не улучшенная электрическая зубная щётка: она хоть и умеет заряжаться без электрического контакта, но всё равно требует помещения в «док-станцию» для сближения передающей и приёмной индуктивных катушек до расстояния в миллиметр. «Уайтрисити» – не микроволновка, способная поджарить живой объект, поскольку пульсирующее магнитное поле, работающее в системе WiTricity, на человека не влияет. Наконец, «Беспроводное электричество» – даже не «таинственная и ужасная» башня Теслы (Wardenclyffe Tower), при помощи которой великий изобретатель намеревался продемонстрировать передачу энергии на большое расстояние.
Первый опыт по беспроводной передаче энергии методом WiTricity на 60-ваттную лампочку, удалённую на два с лишним метра от источника, Марин и его коллеги провёли в 2007 году . КПД был невелик – порядка 40%, зато уже тогда изобретатели указывали на ощутимый плюс новинки — безопасность.
Применяемое в системе поле в 10 тысяч раз слабее, чем то, что царит в сердцевине магнитно-резонансного томографа. Так что ни живые организмы, ни медицинские имплантаты, ни кардиостимуляторы и прочая чувствительная техника такого рода, ни бытовая электроника почувствовать на себе действие этого поля не могут.
Главные авторы WiTricity: Марин Солячич (слева), Аристеидис Каралис (Aristeidis Karalis) и Джон Иоаннополус (John Joannopoulos). Справа: принципиальная схема WiTricity. Передающая катушка (левая) включена в розетку. Приёмная – соединена с потребителем. Линии магнитного поля первой катушки (голубой цвет) способны огибать относительно небольшие проводящие препятствия (а дерево, ткань, стекло, бетон или человека они и вовсе не замечают), успешно переправляя энергию (жёлтые линии) к приёмному кольцу (фото MIT/Donna Coveney, иллюстрация WiTricity).
Теперь же Солячич и его соратники открыли, что на КПД системы WiTricity влияют не только размер, геометрия и настройка катушек, а также дистанция между ними, но и число потребителей. Парадоксально, на первый взгляд, однако два приёмных прибора, размещённые на расстоянии от 1,6 до 2,7 метра по обе стороны от передающей «антенны», показали на 10% лучший КПД, чем в случае если связь осуществлялась только между одним источником и потребителем, как было в предыдущих опытах.
Причём улучшение прослеживалось независимо от того, каков был КПД для пар передатчик-приёмник по отдельности. Учёные предположили, что при дальнейшем добавлении новых потребителей КПД будет ещё повышаться, хотя пока не вполне ясно — насколько. (Детали эксперимента раскрывает в Applied Physics Letters.)
Передающая катушка в новом эксперименте насчитывала площадь в 1 квадратный метр, а приёмные — всего по 0,07 м 2 каждая. И это тоже интересно: громоздкость «приёмников» в прежних опытах ставила под сомнение желание производителей техники снабжать такими системами свою аппаратуру — едва ли вам понравился бы самозаряжающийся ноутбук, блок WiTricity которого по размеру сопоставим с самим компьютером.
Слева: 1 – специальная схема переводит обычный переменный ток в высокочастотный, он питает передающую катушку, создающую осциллирующее магнитное поле. 2 – приёмная катушка в устройстве-потребителе должна быть настроена на ту же частоту. 3 – резонансная связь между катушками превращает магнитное поле обратно в электрический ток, который питает лампочку.
Справа: по мнению авторов системы, одна катушка на потолке может снабжать энергией все приборы и устройства в комнате – от нескольких светильников и телевизора до ноутбука и DVD-проигрывателя (иллюстрация WiTricity).
Но главное – эффект улучшения общего КПД при одновременной работе с несколькими потребителями означает зелёную улицу для голубой мечты Солячича — дома, заполненного разнообразной техникой, получающей питание из невидимых «неизлучающих излучателей», спрятанных в потолках или стенах комнат.
А может быть, и не только в комнатах, но и в гараже? Конечно, зарядить электромобиль можно и обычным способом. Но прелесть WiTricity в том, что ничего никуда не нужно подключать и даже помнить об этом — теоретически машину можно научить самой по прибытию в гараж (или на автостоянку компании) посылать «запрос» системе и подпитывать аккумулятор от магнитной катушки, уложенной в полу.
Кстати, в некоторых экспериментах специалисты WiTricity довели мощность передачи до трёх киловатт (а начинали, напомним, с 60-ваттной лампочки). КПД же варьируется в зависимости от целого набора параметров, однако, как утверждает корпорация, при достаточно близких катушках он может превышать 95%.
Нетрудно догадаться, что перспективный метод передачи электроэнергии на несколько метров без проводов и необходимости в прицеливании каких-нибудь «силовых лучей» должен заинтересовать широкий спектр компаний. Некоторые уже работают в этом направлении самостоятельно.
Например, отталкиваясь от принципов, обоснованных и испытанных Солячичем и его коллегами, Intel ныне развивает свою модификацию резонансной передачи электроэнергии — Wireless Resonant Energy Link (WREL). Ещё в 2008 году компания достигла на данном поприще блестящего результата, продемонстрировав «магнитную» передачу тока с КПД 75% .
Одна из опытных установок Intel WREL, без проводов передающая электропитание (наряду с аудиосигналом) с MP3-плеера на небольшую колонку (фото с сайта gizmodo.com).
Собственные опыты, воспроизводящие эксперименты физиков из Массачусетского технологического, ставит сейчас и Sony .
Однако Солячич уверен, что его инновация не затеряется среди продукции коллег-конкурентов. Ведь именно первооткрыватели технологии больше всех набили с ней шишек и готовы к углублённому её изучению и совершенствованию. Скажем, настройка даже пары катушек не так проста, как кажется на поверхностный взгляд. Учёный несколько лет подряд ставил опыты в лаборатории, прежде чем построил систему, которая работает действительно надёжно.
Демонстрационный образец ЖК-экрана, получающего электрическое питание через первый прототип бытового набора WiTricity. Передающая катушка лежит на полу, приёмная – на столе (фото WiTricity).
«Беспроводное электричество», по словам его авторов, изначально задумывалось как OEM-продукт . Потому в будущем можно ожидать появления данной технологии в товарах других компаний.
И пробный шар в сторону потенциальных потребителей уже запущен. В январе в Лас-Вегасе на выставке CES 2010 китайская компания Haier показала первый в мире полностью беспроводной HDTV-телевизор. На его экран по воздуху передавался не только видеосигнал с проигрывателя (для чего применялся официально родившийся буквально месяцем раньше стандарт Wireless Home Digital Interface), но и электропитание. Последнее обеспечивала именно технология WiTricity.
А ещё компания Солячича ведёт переговоры с производителями мебели об установке катушек в столы и стены шкафов. Первое объявление о серийном продукте партнёра WiTricity ожидается к концу 2010 года.
Вообще же специалисты предсказывают появление на рынке настоящих бестселлеров — новых продуктов со встроенным приёмником WiTricity. Причём никто ещё не может уверенно сказать — что это будут за вещи.
Компания Haier является одним из крупнейших в мире производителей бытовой электроники. Неудивительно, что её инженеры заинтересовались возможностью соединить новейшие технологии беспроводной передачи HDTV-сигнала и беспроводного электропитания и даже ухитрились первыми показать такой прибор в действии (фотографии engadget.com, gizmodo.com).
Любопытно, что история WiTricity началась несколько лет назад с ряда досадных пробуждений Марина. Несколько раз в течение месяца его будил сигнал разряженного телефона, просящего «поесть». Забывавший вовремя подключить мобильник к розетке учёный удивлялся: разве не смешно, что телефон находится в нескольких метрах от электрической сети, но не в состоянии получить эту энергию. После очередного пробуждения в три часа ночи Солячич подумал: было бы здорово, если б телефон смог позаботиться о своей зарядке сам.
Заметим, речь сразу пошла не о новом варианте "ковриков" для зарядки карманных приборов. Такие системы работают, только если устройство положить непосредственно на «коврик», а это ведь для забывчивых людей ничуть не лучше, чем необходимость просто втыкать проводок в розетку. Нет, телефон должен был получать электроэнергию в любом месте комнаты, а то и квартиры, и не важно, бросили ли вы его на столе, диване или подоконнике.
Тут обычная электромагнитная индукция, направленные микроволновые лучи и "осторожные" инфракрасные лазеры — не годились. Марин взялся за поиск других вариантов. Едва ли он тогда мог подумать, что через некоторое время пищащий и «голодный» телефон приведёт его к созданию собственной компании и появлению технологии, способной «делать заголовки» и, что куда важнее, заинтересовать промышленных партнёров.
Добавим, что о принципах, истории и будущем WiTricity некогда довольно подробно рассказал исполнительный директор корпорации Эрик Гилер (Eric Giler).
Мы презентуем устройство передачи электроэнергии без проводов с коэффициентом полезного действия (КПД) около 100%. В дальнейшем будет обоснована величина КПД ≈ 100% и, разумеется, мы демонстрируем эту величину нашим экспериментальным устройством.
Важность проблемы беспроводной передачи электроэнергии не подлежит сомнению – преодоление естественных преград (реки, горы и долины); резервное электроснабжение, электротранспорт, решение ряда задач беспроводного электропитания бытовых и промышленных устройств и т.д. – всё это элементы названной проблемы.
Немного истории
Впервые проблему беспроводной передачи электроэнергии обозначил на заре прошлого века Н. Тесла. В основе его демонстрационного устройства был положен метод излучения и приема электромагнитных волн открытым резонансным контуром, который содержит антенну – емкость и катушку провода – индуктивность. Характерные показатели устройства Теслы сводятся к следующим: КПД = 4%, дальность передачи – 42 км, максимальный габарит башни-антенны – 60 м, длина волны – 2000 м. Существенно, что в устройстве Теслы планета Земля рассматривается как один из проводов в передаче электроэнергии, поскольку излучение и прием столь длинных волн без заземления не эффективны.
После экспериментов Теслы, на протяжении прошлого ХХ века все попытки осуществить беспроводную передачу электроэнергии с приемлемым КПД оказались безрезультатными.
В текущем десятилетии прямо или косвенно сообщается о работах в Масачуссетском Технологическом Университете под руководством М. Соля-чича. В основе их работ лежит известный индукционный, при помощи магнитного поля, метод передачи электроэнергии, который реализован резонансными плоскими катушками индуктивности. Этот метод в идеале обеспечивает КПД = 50%, при дальности передачи соизмеримой с габаритами катушек-антенн. Характерные показатели их демонстрационного устройства сводятся к следующим: КПД ≈ 40%, дальность передачи – 2 м, габарит катушек-антенн – 0,6 м, длина волны – 30 м.
Энергетически замкнутая система
В нашем устройстве, как и в устройстве Теслы, переносчиком энергии являются электромагнитные волны, т.е. действует общеизвестный вектор Пойнтинга.
Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено следующее: передающая и приемная антенны устройства беспроводной передачи электроэнергии образуют энергетически замкнутую систему, частично включающую в себя и энергию электромагнитного поля Земли; через возбуждение (активацию) электромагнитного поля Земли в этой системе происходит передача электроэнергии от передающей антенны к приемной с КПД ≈ 100% (фиг. 1).
Фиг. 1
Фиг. 2
Пользуясь этой антенной, несложно сформулировать задачу, решение которой обеспечит передачу электроэнергии без проводов:
1. Передающая и приемная антенны должны возбуждать (активировать) электромагнитное поле Земли в локальной (ограниченной) области пространства;
2. Возбужденное электромагнитное поле Земли должно быть также локальным в пространстве и не потреблять энергии (должно представлять собой стоячую электромагнитную волну между передающей и приемной антеннами).
Решение этой задачи нереально с антеннами, созданными на основе пространственных представлений геометрии Эвклида с ее знаменитым 5ым постулатом – постулатом о параллельных прямых. Этот постулат в школьных учебниках гласит: через точку, не лежащую на данной прямой, можно провести только одну прямую параллельную данной.
фиг. 3
Знаменитость этого постулата состоит в том, что, начиная с І ст. до н.э., на протяжении 2000 лет лучшие умы мира безуспешно пытались доказать его как теорему. И вот в 1826 г. россиянин Лобачевский изложил основы своей геометрии, в которой 5й постулат геометрии Эвклида формулировался, по сути, своим отрицанием: через точку, не лежащую на данной прямой, можно провести минимум две прямые, параллельные данной.
фиг. 4
И хотя этот постулат не очень согласуется с нашими пространственными представлениями, геометрия Лобачевского непротиворечива и исправно служит физикам в последнее время. Например, геометрия Лобачевского причастна к описанию громадного ряда явлений от колебаний в механических передаточных линиях до взаимодействия элементарных частиц и процессов в мембране живой клетки.
Псевдосфера
Правда, до 1863 г., на протяжении почти 40 лет, геометрия Лобачевского воспринималась как нечто, не имеющее отношение к реальности. Но, в 1863 г. итальянский математик Бельтрами установил, что все свойства плоскости геометрии Лобачевского реализуются на поверхности псевдосферы – геометрического тела, свойства которого совпадают либо противоположны свойствам сферы. На фиг. 5 изображена псевдосфера, а на фиг. 6 ее образующая – трактриса с асимптотой X’X. При равенстве радиусов больших окружностей (параллелей) псевдосферы и сферы можно количественно сравнивать объемы и площади поверхностей их.
фиг. 5
фиг. 6
Именно в форме полупсевдосфер изготавливаются антенны нашего устройства; нами демонстрируется устройство со следующими характеристиками: КПД = 100%, дальность передачи – 1,8 м, максимальный габарит катушек антенн – 0,2 м, длина волны – 500 м, заземление не обязательно.
Здесь следует отметить, что совокупность названных характеристик демонстрационного устройства противоречит основам классической электродинамики – радиотехники.
Какие же свойства антенн-полупсевдосфер обеспечивают такие характеристики нашего устройства?
Среди более десятка экстраординарных свойств псевдосферы заслуживает внимания прежде всего следующее:
бесконечно протяженное в пространстве тело псевдосферы имеет конечный объем и конечную площадь поверхности.
Именно это свойство псевдосферы позволяет при помощи антенн-полупсевдосфер создать конечную, ограниченную в пространстве, энергетически замкнутую систему, что является необходимым условием для передачи энергии из КПД = 100%.
Вторая фундаментальная задача, которая решается в нашем устройстве, касается среды, заполняющей упомянутую энергетически замкнутую систему. Суть в том, что только в квантовой электродинамике, плодом которой являются лазеры и мазеры, среда рассматривается активной. Напротив, в классической электродинамике среда относится к пассивным объектам; с ней связывается затухание, потери электромагнитной энергии при распространении.
Невероятно, но факт, в нашем устройстве происходит активация электрического и магнитного полей Земли. Эти поля являются объектами среды в нашем устройстве, поскольку заполняют упомянутую энергетически замкнутую систему. Активизация этой среды является также следствием свойств псевдосферы.
Суть в том, что все точки на поверхности псевдосферы являются, как утверждают математики, гиперболическими, разрывными в пространстве. Применительно к антеннам-полупсевдосферам нашего устройства это равносильно разрывам, квантованию электрического и магнитного полей в каждой точке провода намотки катушек антенн-полупсевдосфер. Это ведет к электромагнитным возмущениям – волнам, длина которых соизмерима с диаметром провода намотки катушек антенн-полупсевдосфер, т.е. практически длина таких волн составляет величину порядка 1 мм и меньше. Такие электромагнитные волны, как свидетельствует теория и практика, способны, через поляризацию молекул воздуха или непосредственно, активизировать электромагнитное поле Земли и тем самым компенсировать потери электромагнитной энергии на пути передачи ее в нашем устройстве. Это также необходимо для объяснения КПД = 100%.
Мало этого, нами заявлен генератор избыточной электромагнитной энергии, коэффициент преобразования энергии (КПЭ) которого составляет величину более 400%; т.е. сравнимо из КПЭ известных тепловых насосов.
И о последней, третьей задаче, которая решается в нашем устройстве.
Общеизвестно, что энергия переносится в пространстве только бегущей электромагнитной волной, волной, в которой электрическое и магнитное поле синфазны. Это условие невозможно реализовать на расстоянии 1,8 м при длине волны 500 м. Но, общеизвестно также, что скорость движения бегущей электромагнитной волны вдоль прямолинейного или криволинейного проводника замедляется, уменьшается в сравнении со скоростью в свободном пространстве; уменьшается также длина волны. Этот эффект широко применяется в электрорадиотехнике в так называемых замедляющих системах. Уменьшение длины волны в этих системах составляет от десятых долей единицы с прямолинейными проводами до 30 единиц с криволинейными (спиральными).
Именно эффект замедления, уменьшения длины волны позволяет формировать бегущую волну на небольших расстояниях в нашем устройстве.
Действительно, длина волны нашего демонстрационного устройства уменьшается до длины упомянутой выше длины 
, которая и формирует бегущую, переносящую энергию электромагнитную волну в нашем устройстве. Коэффициент уменьшения волны при этом составляет величину 
единиц. Такое громадное уменьшение длины волны объясняет и тот экспериментальный факт, что наше устройство эффективно работает и без заземления передатчика и приемника электроэнергии.
В работе нашего устройства задействовано еще одно удивительное свойство псевдосферы:
объем псевдосферы составляет половину объема сферы, при этом площади их поверхностей равны.
Из этого свойства следует, что объем сферы, ограниченный собственной площадью поверхности, содержит два объема псевдосферы, ограниченные двумя совмещенными собственными площадями поверхности и третьей площадью упомянутой сферы. Это позволяет представить объем сферы вокруг Земли , заполненный электрическим и магнитным полями Земли, двумя объемами псевдосферы и , каждый из которых ограничен площадями и содержит половины электрического и магнитного полей Земли (фиг. 7). Учитывая этот факт и факт неизбежного нахождения нашего устройства только на одной стороне земли, утверждается что антенны нашего устройства взаимодействуют только из половинами электрического и магнитного полей Земли. При этом, не следует полагать, что вторые половины этих полей бездействуют. В этом убеждает ниже следующее.
фиг. 7
Вспомним, что большинство законов физики сформулированы для инерциальных систем отсчета, в которых время безотносительное (абсолютное), пространство изотропно, скорость прямолинейного движения электромагнитных волн (света) абсолютна и т.д. В рамках инерциальных систем отсчета общеизвестно, что в свободном пространстве при отражении бегущей электромагнитной волны образуется стоячая, в которой различаются отдельно стоячая электрическая волна и отдельно стоячая магнитная волна. При длине бегущей волны, равной , длины стоячих электрической и магнитной волн равны половине длины бегущей, т.е. 
. Существенно также, что период этих стоячих волн равен периоду бегущей волны, т.е. 
, поскольку период стоячей волны состоит из суммы двух полупериодов прямой и отраженной полуволн.
Факт вычисления, а не экспериментального определения, величины с точностью, зависящей от точности определения длительности суток на Земле, позволяет совершенно по-новому взглянуть на ряд проблем физики.
Регулярно просматривая зарубежные достижения в области радиотехники, наткнулся на неплохое устройство беспроводной передачи электроэнергии, выполненное не на каких-то дефицитных микросхемах, а вполне доступное для самостоятельной сборки. Полную документацию на английском можно будет скачать по ссылке , а здесь приведу краткое содержание на русском, в том числе некоторые схемотехнические решения.
Катушки приёмопередатчика тока
Осциллограмма сигнала
В работе представлены несколько похожих принципиальных схем, отличающихся только напряжением и мощностью. В качестве энергетической "антенны" у них служат небольшие катушки из толстого провода, транзисторы - обычные мощные полевые, так что всё это можно собрать самому.
Сразу предупредим - тут речь идёт не о передачи энергии на много метров, подобные устройства подходят скорее для и других похожих девайсах, где расстояние составит несколько сантиметров. Зато мощность, которая "перелетает" по воздуху, доходит до 100 ватт!
Принцип действия
Резонансный преобразователь обычно работает при постоянной рабочей частоте, которая определяется резонансной частотой LC контура. Как только напряжение постоянного тока подается на цепь, она начинает генерировать с помощью транзисторов. Своеобразный мультивибратор, со смещением фазы на 180°. Транзисторы поочередно подключают концы параллельного резонансного контура к массе, что позволяет этому контуру периодически подзарядиться энергией с последующим её излучением в пространство.
Практические схемы
Базовая схема
Фото готового передатчика-приёмника энергии
Подведя итог заметим, что беспроводная передача энергии всё больше внедряется в области потребительской электроники, промышленного, военного и медицинского оборудования. Как беспроводная локальная сеть и Bluetooth, та и беспроводное питание становится актуальным вариантом. Это позволяет избавится от ненадёжных кнопок, кабелей, силовых разъёмов. Другая область применения связана с трансформаторами, которые должны удовлетворять специальным требованиям - иметь усиленную или двойную изоляцию. И главное: электробезопасность! Многие маломощные сетевые бытовые приборы можно запитывать не через шнуры на 220 В, вилки и розетки, а бесконтактным методом - просто придвигая их к нужной поверхности.