Transmissão de energia à distância sem fios
A história do desenvolvimento
O desenvolvimento da transmissão de energia elétrica sem fios à distância está associado ao progresso no campo da engenharia de rádio, uma vez que ambos os processos são da mesma natureza. As invenções em ambas as áreas estão associadas ao estudo do método de indução eletromagnética e seus efeitos na formação de corrente elétrica.
Em 1820 Ampere descobriu a lei da interação de correntes, que consistia no fato de que, se a corrente flui ao longo de dois condutores próximos em uma direção, eles são atraídos um pelo outro e, se diferentes, se repelem.
Em 1831, M. Faraday estabeleceu no decorrer de experimentos que um campo magnético alternado (variando em magnitude e direção no tempo) gerado pelo fluxo de corrente elétrica induz (induz) correntes em condutores próximos. Essa. há uma transmissão de eletricidade sem fios. Em detalhe Lei de Faraday nós consideramos no artigo anterior.
Bem, J.K. Maxwell, 33 anos depois, em 1864, transferiu os dados experimentais de Faraday para uma forma matemática; as próprias equações de Maxwell são fundamentais na eletrodinâmica. Eles descrevem como a corrente elétrica e o campo eletromagnético estão relacionados.
A existência de ondas eletromagnéticas foi confirmada em 1888 por G. Hertz, no decorrer de seus experimentos com um transmissor de faísca com um helicóptero em uma bobina de Rumkorf. Assim, ondas EM com uma frequência de até meio gigahertz foram produzidas. Vale a pena notar que essas ondas podem ser recebidas por vários receptores, mas devem ser sintonizadas em ressonância com o transmissor. O alcance da instalação foi de cerca de 3 metros. Quando uma faísca ocorreu no transmissor, o mesmo ocorreu nos receptores. De fato, este é o primeiro experimento sobre a transmissão de eletricidade sem fios.
Pesquisa aprofundada foi conduzida pelo famoso cientista Nikola Tesla. Ele estudou corrente alternada de alta tensão e frequência em 1891. Como resultado, foram tiradas as conclusões:
Para cada finalidade específica, você precisa ajustar a instalação para a frequência e tensão apropriadas. No entanto, a alta frequência não é um pré-requisito. Os melhores resultados foram alcançados com uma frequência de 15-20 kHz e uma tensão de 20 kV no transmissor. Para obter uma corrente e tensão de alta frequência, foi utilizada uma descarga oscilatória do capacitor. Assim, é possível transmitir eletricidade e produzir luz.
O cientista em seus discursos e palestras demonstrou o brilho de lâmpadas (tubos de vácuo) sob a influência de um campo eletrostático de alta frequência.Na verdade, as principais conclusões de Tesla foram que, mesmo no caso de sistemas ressonantes, muita energia não pode ser transmitida usando uma onda eletromagnética.
Paralelamente, vários cientistas até 1897 estavam envolvidos em estudos semelhantes: Jagdish Boche na Índia, Alexander Popov na Rússia e Guglielmo Marconi na Itália.
Cada um deles contribuiu para o desenvolvimento da transmissão de energia sem fio:
- J. Boche, em 1894, acendeu a pólvora, transmitindo eletricidade a uma distância sem fios. Ele fez isso em uma manifestação em Calcutá.
- A. Popov, em 25 de abril (7 de maio) de 1895, usando o código Morse, transmitiu a primeira mensagem.
- Em 1896, G. Marconi, na Grã-Bretanha, também transmitiu um sinal de rádio (código Morse) por uma distância de 1,5 km, depois 3 km na planície de Salisbury.
Vale ressaltar que o trabalho de Tesla, subestimado de uma só vez e perdido por séculos, excedeu o trabalho de seus contemporâneos em termos de parâmetros e capacidades. Ao mesmo tempo, ou seja, em 1896, seus dispositivos transmitiam um sinal por longas distâncias (48 km), infelizmente, era uma pequena quantidade de eletricidade.
E em 1899, Tesla chegou à conclusão:
O fracasso do método de indução parece enorme em comparação com o método de excitação de uma carga de terra e ar.
Essas conclusões levarão a outros estudos, em 1900 ele conseguiu alimentar uma lâmpada de uma bobina realizada no campo e em 1903 foi lançada a torre Wondercliff em Long Island. Consistia em um transformador com um enrolamento secundário aterrado e no topo havia uma cúpula esférica de cobre. Com sua ajuda, acabou acendendo 200 lâmpadas de 50 watts. Ao mesmo tempo, o transmissor estava a 40 km dele. Infelizmente, esses estudos foram interrompidos, o financiamento foi interrompido e a transmissão gratuita de eletricidade sem fios não era economicamente viável para os empresários. A torre foi destruída em 1917.
Hoje em dia
As tecnologias de transmissão de energia sem fio deram um grande passo adiante, principalmente no campo da transmissão de dados. Um sucesso tão significativo foi alcançado pelas comunicações por rádio, tecnologias sem fio como Bluetooth e Wi-fi. Nenhuma inovação em particular ocorreu, principalmente as frequências alteradas, os métodos de criptografia de sinal e a representação do sinal alternada de analógico para digital.
Se falamos sobre a transmissão de eletricidade sem fios para alimentar equipamentos elétricos, vale ressaltar que em 2007, pesquisadores do Instituto de Massachusetts transferiram 2 metros de energia e acenderam uma lâmpada de 60 watts dessa maneira. Essa tecnologia é chamada WiTricity, é baseada na ressonância eletromagnética do receptor e do transmissor. Vale ressaltar que o receptor recebe cerca de 40-45% da eletricidade. Um diagrama generalizado de um dispositivo para transmitir energia através de um campo magnético é mostrado na figura abaixo:
O vídeo mostra um exemplo da aplicação desta tecnologia para carregar um veículo elétrico. A linha inferior é que um receptor está conectado à parte inferior do carro elétrico e um transmissor é instalado no chão da garagem ou em outro lugar.
Você deve estacionar a máquina para que o receptor esteja posicionado acima do transmissor. O dispositivo transfere muita eletricidade sem fios - de 3,6 a 11 kW por hora.
No futuro, a empresa está considerando o fornecimento de eletricidade com essa tecnologia e eletrodomésticos, além de todo o apartamento como um todo. Em 2010, a Haier lançou uma TV sem fio que recebe energia usando tecnologia semelhante, além de vídeo sem fio. Outras empresas líderes, como Intel e Sony, também estão realizando esses desenvolvimentos.
Na vida cotidiana, as tecnologias de transmissão de energia sem fio são amplamente usadas, por exemplo, para carregar um smartphone. O princípio é semelhante - existe um transmissor, um receptor, a eficiência é de cerca de 50%, ou seja, para uma carga de 1A, o transmissor consumirá 2A. O transmissor é geralmente chamado de base nesses conjuntos, e a parte que se conecta ao telefone é o receptor ou a antena.
Outro nicho é a transmissão sem fio de eletricidade usando microondas ou laser.Isso fornece um raio de ação maior do que alguns metros, o que fornece indução magnética. No método de microondas, uma retena (antena não linear para converter uma onda eletromagnética em corrente direta) é instalada no dispositivo receptor e o transmissor direciona sua radiação nessa direção. Nesta versão da transmissão sem fio de eletricidade, não há necessidade de visibilidade direta dos objetos. A desvantagem é que a radiação de microondas não é segura para o meio ambiente.
Recomendamos assistir a um vídeo em que o problema seja considerado com mais detalhes:
Concluindo, gostaria de observar que a transmissão sem fio de eletricidade é certamente conveniente para uso na vida cotidiana, mas tem seus prós e contras. Se falarmos sobre o uso de tais tecnologias para carregar aparelhos, a vantagem é que você não precisa inserir e remover constantemente o plugue do conector do seu smartphone, respectivamente, o conector não falhará. A desvantagem é a baixa eficiência: se para um smartphone a perda de energia não é significativa (alguns watts), então para o carregamento sem fio de um carro elétrico - esse é um problema muito grande. O principal objetivo do desenvolvimento dessa tecnologia é aumentar a eficiência da instalação, porque, no contexto de uma ampla corrida pela conservação de energia, o uso de tecnologias de baixa eficiência é muito duvidoso.
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