Voimansiirto etäisyydellä ilman johtoja
Kehityshistoria
Sähkönsiirron kehittäminen ilman johtoja etäisyydellä liittyy edistymiseen radiotekniikan alalla, koska molemmat prosessit ovat samanlaisia. Kummankin alueen keksinnöt liittyvät tutkimukseen sähkömagneettisesta induktiomenetelmästä ja sen vaikutuksista sähkövirran muodostumiseen.
Vuonna 1820 A.M. Ampere löysi virtojen vuorovaikutuslain, joka koostui siitä, että jos virta virtaa kahta läheisesti sijaitsevaa johdinta pitkin yhteen suuntaan, niin ne vetäytyvät toisiinsa, ja jos eri, niin ne hylkivät.
Vuonna 1831 M. Faraday totesi kokeilujen aikana, että sähkövirran tuottaman vaihtuvan (suuruudessa ja ajan suhteessa vaihteleva) magneettikenttä indusoi (indusoi) virtauksia lähellä olevissa johtimissa. eli sähkönsiirto tapahtuu ilman johtoja. Yksityiskohtaisesti Faradayn laki pohdimme artikkelissa aiemmin.
No, J. K. Maxwell, 33 vuotta myöhemmin, vuonna 1864, siirsi Faradayn kokeellisen datan matemaattiseen muotoon, ja itse Maxwellin yhtälöt ovat perustavanlaatuisia sähköodynamiikassa. Ne kuvaavat kuinka sähkövirta ja sähkömagneettinen kenttä liittyvät toisiinsa.
Sähkömagneettisten aaltojen olemassaolon vahvisti vuonna 1888 G. Hertz, hänen kokeilunsa aikana Rumkorfin kelassa olevan kipinälähettimen kanssa hakkurin kanssa. Siten EM-aaltoja tuotettiin jopa puoli gigahertsiä. On syytä huomata, että nämä aallot voivat vastaanottaa useita vastaanottimia, mutta ne on viritettävä resonanssilla lähettimen kanssa. Asennuksen kantama oli noin 3 metriä. Kun lähettimessä tapahtui kipinä, sama tapahtui vastaanottimissa. Itse asiassa tämä on ensimmäinen kokeilu sähkön siirtoon ilman johtoja.
Perusteellisen tutkimuksen suoritti kuuluisa tiedemies Nikola Tesla. Hän tutki korkeajännitteen ja taajuuden vaihtovirtaa vuonna 1891. Seurauksena oli johtopäätös:
Jokaista tiettyä tarkoitusta varten asennus on viritettävä sopivalle taajuudelle ja jännitteelle. Suuri taajuus ei kuitenkaan ole edellytys. Parhaat tulokset saavutettiin taajuudella 15-20 kHz ja lähettimen jännitteellä 20 kV. Korkean taajuuden virran ja jännitteen saamiseksi käytettiin värähtelevää kondensaattorin purkausta. Siten on mahdollista siirtää sekä sähköä että tuottaa valoa.
Tutkija osoitti puheissaan ja luennoissaan lamppujen (tyhjöputkien) hehkua korkeataajuisen sähköstaattisen kentän vaikutuksesta.Itse asiassa Teslan tärkeimmät päätelmät olivat, että jopa resonanssijärjestelmien käytön yhteydessä ei paljon energiaa voida siirtää sähkömagneettisella aallolla.
Samanaikaisesti useat tutkijat vuoteen 1897 saakka olivat harjoittaneet samanlaisia tutkimuksia: Jagdish Boche Intiassa, Alexander Popov Venäjällä ja Guglielmo Marconi Italiassa.
Jokainen heistä on myötävaikuttanut langattoman sähkönsiirron kehittämiseen:
- J. Boche vuonna 1894 sytytti ruutia, siirtäen sähköä etäisyyteen ilman johtoja. Hän teki tämän mielenosoituksessa Kalkutassa.
- Ensimmäisen viestin lähetti A. Popov 25. huhtikuuta (7. toukokuuta) 1895 Morse-koodilla.
- Vuonna 1896 Iso-Britanniassa G. Marconi lähetti myös radiosignaalin (Morsen koodin) 1,5 km: n, myöhemmin 3 km: n etäisyydellä Salisbury-tasangolla.
On syytä huomata, että Teslan työ, aliarvioitu kerralla ja menettänyt vuosisatojen ajan, ylitti parametriensa ja kykyjensä suhteen hänen aikalaistensa työn. Samanaikaisesti, nimittäin vuonna 1896, hänen laitteet lähettivät signaalin pitkiä matkoja (48 km), valitettavasti se oli pieni määrä sähköä.
Ja vuoteen 1899 mennessä Tesla päätteli:
Induktiomenetelmän epäonnistuminen näyttää valtavalta verrattuna menetelmään, jolla maapallon ja ilman varaus herätetään.
Nämä johtopäätökset johtavat muihin tutkimuksiin, vuonna 1900 hän onnistui virtalampun tuottamaan kentällä tehdystä kelasta, ja vuonna 1903 Wondercliff-torni Long Islandilla avattiin. Se koostui muuntajasta, jossa oli maadoitettu toisiokäämi, ja sen yläosassa oli kuparinen pallokuppi. Sen avulla osoitettiin valaisevan 200 50 watin lamppua. Samaan aikaan lähetin oli 40 km päässä siitä. Valitettavasti nämä tutkimukset keskeytettiin, rahoitus lopetettiin, ja sähkön vapaa siirto ilman johtoja ei ollut liikemiehille taloudellisesti kannattavaa. Torni tuhoutui vuonna 1917.
Nykyään
Langattomat sähkönsiirtotekniikat ovat ottaneet suuren askeleen eteenpäin, pääasiassa tiedonsiirron alalla. Niin merkittävää menestystä saavutettiin radioviestinnällä, langattomilla tekniikoilla, kuten Bluetooth ja Wi-Fi. Erityisiä innovaatioita ei tapahtunut, lähinnä taajuudet muuttuivat, signaalin salausmenetelmät, signaalin esitys vaihdettiin analogisesta digitaaliseksi.
Jos puhumme sähkön siirtämisestä ilman johtoja sähkölaitteisiin, on syytä mainita, että vuonna 2007 Massachusetts-instituutin tutkijat siirsivät 2 metriä energiaa ja sytyttivät tällä tavalla 60 watin lampun. Tätä tekniikkaa kutsutaan WiTricityksi, se perustuu vastaanottimen ja lähettimen sähkömagneettiseen resonanssiin. On syytä huomata, että vastaanotin vastaanottaa noin 40-45% sähköstä. Seuraavassa kuvassa on esitetty yleiskaavio laitteesta, joka siirtää energiaa magneettikentän kautta:
Videossa on esimerkki tämän tekniikan soveltamisesta sähköajoneuvon lataamiseen. Tärkeintä on, että vastaanotin on kiinnitetty sähköauton pohjalle ja lähetin on asennettu lattialle autotallissa tai muualla.
Kone on pysäköitävä niin, että vastaanotin on sijoitettu lähettimen yläpuolelle. Laite siirtää paljon sähköä ilman johtoja - 3,6 - 11 kW tunnissa.
Yhtiö harkitsee tulevaisuudessa sähkön toimittamista tällaisella tekniikalla ja kodinkoneilla sekä koko asuntoa kokonaisuutena. Vuonna 2010 Haier esitteli langattoman TV: n, joka vastaanottaa virtaa samanlaisella tekniikalla, sekä langattoman videon. Myös muut johtavat yritykset, kuten Intel ja Sony, toteuttavat tällaista kehitystä.
Arkielämässä langattomia energiansiirtotekniikoita käytetään laajasti esimerkiksi älypuhelimen lataamiseen. Periaate on samanlainen - on lähetin, on vastaanotin, hyötysuhde on noin 50%, ts. 1A: n latauksella lähetin kuluttaa 2A. Lähettintä kutsutaan yleensä tukiasemana tällaisissa sarjoissa, ja osa, joka yhdistää puhelimeen, on vastaanotin tai antenni.
Toinen markkinarako on langaton sähkön siirto mikroaaltouunilla tai laserilla.Tämä tarjoaa suuremman vaikutussäteen kuin pari metriä, mikä aikaansaa magneettisen induktion. Mikroaaltomenetelmässä vastaanottolaitteeseen asennetaan retenni (epälineaarinen antenni sähkömagneettisen aallon muuttamiseksi tasavirraksi) ja lähetin ohjaa säteilynsä tähän suuntaan. Tässä langattoman sähkönsiirron versiossa objektien suoraa näkyvyyttä ei tarvita. Haittapuoli on, että mikroaaltosäteily ei ole turvallista ympäristölle.
Suosittelemme katsomaan videota, jossa asiaa tarkastellaan yksityiskohtaisemmin:
Lopuksi haluaisin huomauttaa, että sähkön langaton siirto on varmasti kätevä käyttää jokapäiväisessä elämässä, mutta sillä on hyvät ja huonot puolensa. Jos puhumme tällaisten tekniikoiden käyttämisestä laitteiden lataamiseen, plus on se, että sinun ei tarvitse jatkuvasti asettaa ja irrottaa pistoketta älypuhelimen liitännästä, vastaavasti liitin ei vioitu. Haittapuoli on alhainen hyötysuhde, jos älypuhelimen energiahäviö ei ole merkittävä (muutama wattia), sitten sähköauton langattomaan lataamiseen - tämä on erittäin suuri ongelma. Tämän tekniikan kehityksen päätavoite on lisätä asennuksen tehokkuutta, koska energiatehokkuutta koskevan laajan kilpailun taustalla alhaisen hyötysuhteen tekniikoiden käyttö on erittäin kyseenalaista.
Samanlaisia materiaaleja:
Ladataan ...
