Trasmissione di potenza a distanza senza fili
La storia dello sviluppo
Lo sviluppo della trasmissione di energia elettrica senza fili a distanza è associato ai progressi nel campo dell'ingegneria radio, poiché entrambi i processi sono della stessa natura. Le invenzioni in entrambe le aree sono associate allo studio del metodo di induzione elettromagnetica e ai suoi effetti sulla formazione di corrente elettrica.
Nel 1820 d.C. Ampere ha scoperto la legge di interazione delle correnti, che consisteva nel fatto che se la corrente scorre lungo due conduttori vicini in una direzione, allora sono attratti l'uno dall'altro e, se diversi, si respingono.
Nel 1831, M. Faraday stabilì durante gli esperimenti che un campo magnetico alternato (variabile in magnitudo e direzione nel tempo) generato dal flusso di corrente elettrica induce (induce) correnti nei conduttori vicini. Coloro. c'è una trasmissione di elettricità senza fili. In dettaglio Legge di Faraday abbiamo considerato nell'articolo precedente.
Bene, dopo J. C. Maxwell, 33 anni dopo, nel 1864, trasferì i dati sperimentali di Faraday in una forma matematica, e le stesse equazioni di Maxwell sono fondamentali nell'elettrodinamica. Descrivono come sono collegati la corrente elettrica e il campo elettromagnetico.
L'esistenza delle onde elettromagnetiche fu confermata nel 1888 da G. Hertz, nel corso dei suoi esperimenti con un trasmettitore di scintille con un elicottero su una bobina di Rumkorf. Pertanto, sono state prodotte onde EM con una frequenza fino a mezzo gigahertz. Vale la pena notare che queste onde potrebbero essere ricevute da diversi ricevitori, ma devono essere sintonizzate in risonanza con il trasmettitore. La portata dell'installazione era di circa 3 metri. Quando si è verificata una scintilla nel trasmettitore, lo stesso si è verificato sui ricevitori. In effetti, si tratta dei primi esperimenti sulla trasmissione di elettricità senza fili.
Una ricerca approfondita è stata condotta dal famoso scienziato Nikola Tesla. Ha studiato corrente alternata di alta tensione e frequenza nel 1891. Di conseguenza, sono state tratte le conclusioni:
Per ogni scopo specifico, è necessario ottimizzare l'installazione alla frequenza e alla tensione appropriate. Tuttavia, l'alta frequenza non è un prerequisito. I migliori risultati sono stati raggiunti con una frequenza di 15-20 kHz e una tensione del trasmettitore di 20 kV. Per ottenere una corrente e una tensione ad alta frequenza, è stata utilizzata una scarica del condensatore oscillatorio. Pertanto, è possibile trasmettere sia elettricità che produrre luce.
Lo scienziato nei suoi discorsi e conferenze ha dimostrato il bagliore delle lampade (tubi a vuoto) sotto l'influenza di un campo elettrostatico ad alta frequenza.In realtà, le conclusioni principali di Tesla sono state che anche nel caso dell'uso di sistemi risonanti, molta energia non può essere trasmessa usando un'onda elettromagnetica.
Parallelamente, alcuni scienziati fino al 1897 furono impegnati in studi simili: Jagdish Boche in India, Alexander Popov in Russia e Guglielmo Marconi in Italia.
Ciascuno di essi ha contribuito allo sviluppo della trasmissione di energia wireless:
- J. Boche nel 1894, incendiò polvere da sparo, trasmettendo elettricità a distanza senza fili. Lo ha fatto in una manifestazione a Calcutta.
- A. Popov nel 25 aprile (7 maggio) 1895 usando il codice Morse trasmise il primo messaggio.
- Nel 1896, G. Marconi in Gran Bretagna trasmise anche un segnale radio (codice Morse) per una distanza di 1,5 km, in seguito 3 km nella pianura di Salisbury.
Vale la pena notare che il lavoro di Tesla, sottovalutato una volta e perso per secoli, ha superato il lavoro dei suoi contemporanei in termini di parametri e capacità. Allo stesso tempo, vale a dire nel 1896, i suoi dispositivi trasmettevano un segnale su lunghe distanze (48 km), purtroppo si trattava di una piccola quantità di elettricità.
E nel 1899, Tesla arrivò alla conclusione:
Il fallimento del metodo di induzione sembra enorme rispetto al metodo di eccitazione della carica della terra e dell'aria.
Questi risultati porteranno ad altri studi, nel 1900 riuscì ad alimentare una lampada da una bobina effettuata sul campo e nel 1903 fu lanciata la torre Wondercliff di Long Island. Consisteva in un trasformatore con un avvolgimento secondario collegato a terra e sulla sua sommità c'era una cupola sferica di rame. Con il suo aiuto, si è scoperto di accendere 200 lampade da 50 watt. Allo stesso tempo, il trasmettitore era a 40 km da esso. Sfortunatamente, questi studi furono interrotti, i finanziamenti furono interrotti e la libera trasmissione di elettricità senza fili non era economicamente redditizia per gli uomini d'affari. La torre fu distrutta nel 1917.
Al giorno d'oggi
Le tecnologie di trasmissione di energia senza fili hanno fatto un grande passo avanti, principalmente nel campo della trasmissione dei dati. Un successo così significativo è stato raggiunto dalle comunicazioni radio, dalle tecnologie wireless come Bluetooth e Wi-Fi. Non si sono verificate particolari innovazioni, principalmente le frequenze sono cambiate, i metodi di crittografia del segnale, la rappresentazione del segnale è passata dall'analogico al digitale.
Se parliamo della trasmissione di elettricità senza fili per alimentare le apparecchiature elettriche, vale la pena ricordare che nel 2007, i ricercatori del Massachusetts Institute hanno trasferito 2 metri di energia e acceso una lampadina da 60 watt in questo modo. Questa tecnologia si chiama WiTricity, si basa sulla risonanza elettromagnetica del ricevitore e del trasmettitore. Vale la pena notare che il ricevitore riceve circa il 40-45% dell'elettricità. Uno schema generale di un dispositivo per la trasmissione di energia attraverso un campo magnetico è mostrato nella figura seguente:
Il video mostra un esempio dell'applicazione di questa tecnologia per caricare un veicolo elettrico. La linea di fondo è che un ricevitore è attaccato alla parte inferiore dell'auto elettrica e un trasmettitore è installato sul pavimento nel garage o altrove.
È necessario parcheggiare la macchina in modo che il ricevitore sia posizionato sopra il trasmettitore. Il dispositivo trasferisce molta elettricità senza fili, da 3,6 a 11 kW all'ora.
La società in futuro sta prendendo in considerazione la fornitura di elettricità con tale tecnologia ed elettrodomestici, così come l'intero appartamento nel suo insieme. Nel 2010, Haier ha introdotto una TV wireless che riceve energia utilizzando una tecnologia simile, oltre a video wireless. Anche altre società leader come Intel e Sony stanno realizzando tali sviluppi.
Nella vita di tutti i giorni, le tecnologie di trasmissione di energia wireless sono ampiamente utilizzate, ad esempio, per caricare uno smartphone. Il principio è simile: c'è un trasmettitore, c'è un ricevitore, l'efficienza è di circa il 50%, cioè per una carica di 1A, il trasmettitore consumerà 2A. Il trasmettitore viene solitamente chiamato base in tali apparecchi e la parte che si collega al telefono è il ricevitore o l'antenna.
Un'altra nicchia è la trasmissione wireless di elettricità mediante microonde o laser.Ciò fornisce un raggio d'azione maggiore di un paio di metri, che fornisce l'induzione magnetica. Nel metodo a microonde, una rectenna (antenna non lineare per convertire un'onda elettromagnetica in corrente continua) è installata sul dispositivo ricevente e il trasmettitore dirige la sua radiazione in questa direzione. In questa versione della trasmissione wireless di elettricità non è necessaria la visibilità diretta degli oggetti. Il rovescio della medaglia è che la radiazione a microonde non è sicura per l'ambiente.
Ti consigliamo di guardare un video in cui il problema è considerato in modo più dettagliato:
In conclusione, vorrei sottolineare che la trasmissione wireless di elettricità è sicuramente conveniente per l'uso nella vita di tutti i giorni, ma ha i suoi pro e contro. Se parliamo dell'uso di tali tecnologie per caricare i gadget, il vantaggio è che non è necessario inserire e rimuovere costantemente la spina dal connettore dello smartphone, rispettivamente, il connettore non fallirà. Il rovescio della medaglia è la bassa efficienza, se per uno smartphone la perdita di energia non è significativa (pochi watt), quindi per la ricarica wireless di un'auto elettrica - questo è un grosso problema. L'obiettivo principale dello sviluppo di questa tecnologia è aumentare l'efficienza dell'installazione, perché sullo sfondo della corsa diffusa per il risparmio energetico, l'uso di tecnologie a bassa efficienza è molto dubbio.
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