Меню

Беспроводная передача электрического тока с использованием явления электромагнитной индукции проект

Метод электромагнитной индукции при беспроводной передаче энергии

Способ передачи электрической энергии на расстояние без использования токопроводящей среды называется беспроводной передачей электроэнергии. Уже к 2011 году было реализовано несколько удачных экспериментов в микроволновом диапазоне с мощностями в несколько десятков киловатт, при этом КПД составил около 40%.

Это произошло сначала в 1975 году в Калифорнии и второй раз — в 1997 году на острове Реюньон. Наибольшая дальность составила около одного километра, эксперимент был проведен с целью исследования возможностей энергосбережения одного поселка без использования традиционного кабеля.

Технологически принципы передачи электроэнергии на расстояние включают в себя, в зависимости от расстояния передачи, следующие. На малых расстояния при небольших мощностях — индукционный и резонансный методы, как например в RFID-метках и смарт-картах. На больших расстояниях и при больших мощностях — метод направленного электромагнитного излучения в диапазоне от УФ до СВЧ.

Давайте рассмотрим подробно индукционный метод. Беспроводная передача энергии посредством электромагнитной индукции подразумевает применение ближнего электромагнитного поля на расстояниях соизмеримых с 17% длины волны. Суть в том, что энергия ближнего поля не является излучающей сама по себе, здесь есть лишь небольшие радиационные и резистивные потери.

Метод электромагнитной индукции при беспроводной передаче энергии

Электродинамическая индукция работает так. Когда через первичную обмотку проходит переменный электрический ток, вокруг нее существует переменное магнитное поле, которое одновременно действует и на вторичную обмотку, наводя в ней переменную ЭДС и соответственно переменный ток.

Чтобы получить более высокую эффективность, взаимное расположение первичной и вторичной обмоток должно быть достаточно тесным. Если в условиях эксперимента начать отдалять вторичную обмотку от первичной, то часть магнитного поля, достигающего вторичной обмотки и пересекающего ее витки, будет становиться все меньше.

По мере удаления вторичной обмотки, даже на небольшом расстоянии индукционная связь между обмотками в конце концов станет настолько малой, что большая часть передаваемой магнитным полем энергии будет расходоваться чрезвычайно неэффективно и вообще впустую.

Подобная система в простейшем виде представлена в классическом электрическом трансформаторе. Ведь трансформатор — простейшее устройство для беспроводной передачи электроэнергии, поскольку его первичная и вторичная обмотки не связаны гальванически друг с другом. Передача энергии от первичной обмотки ко вторичной реализована в нем посредством процесса, называемого взаимная индукция. Главная функция трансформатора — повышение или понижение напряжения, подаваемого на первичную обмотку.

В бесконтактных зарядниках для мобильной техники, для электрических зубных щеток и в индукционных плитках, реализованы как раз методы электродинамической индукции. Недостаток при передаче энергии таким путем заключается в очень небольшом расстоянии эффективного действия. Для достижения надлежащей эффективности передатчик и приемник необходимо размещать очень-очень близко друг к другу, практически вплотную, чтобы они впринципе могли эффективно взаимодействовать между собой.

Беспроводная передача электроэнергии

Чтобы повысить эффективность индукционного метода, полезно внедрить в такую систему явление электрического резонанса, который позволит увеличить расстояние эффективной передачи. С добавлением в резонансную цепь колебательного контура, он своим действием в некоторой степени увеличивает расстояние эффективной передачи. Чтобы возник резонанс, передающий и приемный контур должны быть настроены на одну общую частоту.

Схема прямого беспроводного питания устройств

Еще больше улучшить производительность такой системы можно коррекцией формы волны управляющего тока, отклонив ее от синусоидальной к переходной несинусоидальной, импульсной.

Импульсная передача энергии производится тогда за несколько циклов, и существенная мощность может быть в таких условиях передана от одного LC-контура — к другому, и с меньшим коэффициентом связи чем без использования резонансных контуров. Формы катушек не изменяются, и в любом случае представляют собой плоские спирали либо однослойные соленоиды с подключенными к ним конденсаторами, необходимыми для настройки принимающего элемента на резонансную частоту передатчика.

Традиционно резонансная электродинамическая индукция используется в беспроводных зарядниках аккумуляторов мобильных устройств, наподобие сотовых телефонов и медицинских имплантатов, а также в электромобилях. В устройствах локализованной зарядки используется выбор определенной катушки передатчика из набора многослойных обмоток.

Явление резонанса работает при этом как в контуре передающей панели зарядного устройства, так и в принимающем контуре зарядного модуля, установленном на заряжаемом устройстве, дабы эффективность передачи и приема энергии получилась максимальной. Технология данной конфигурации универсальна, и может использоваться для беспроводной зарядки различных гаджетов, оснащенных соответствующими резонансными приемниками.

Cтандарт беспроводной зарядки Qi

Техника такого плана принята в качестве части стандарта беспроводной зарядки Qi. Этот стандарт предусматривает два варианта передачи энергии: низкой мощности — от 0 до 5 Ватт и средней мощности — до 10 Ватт. Стандарт разработан после 2008 года Консорциумом беспроводной электромагнитной энергии (Wireless Power Consortium, WPC) для индукционной передачи энергии на расстояние до 4 см.

Аппаратура с поддержкой Qi включает в себя передатчик с плоской катушкой (она расположена за пластиной), подключаемый к стационарному источнику энергии, и совместимый приёмник, который установлен внутри заряжаемого устройства (также в форме плоской катушки). П ри использовании зарядника, подключаемое устройство размещают на пластине передатчика. При этом действует принцип электромагнитной индукции между этими двумя плоскими катушками, как в трансформаторе.

Зарядное устройство с поддержкой Qi

Qi используется сегодня в некоторых устройствах: Apple, Asus, HTC, Huawei, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, Samsung, Xiaomi, Sony, Yota Devices. Цель консорциума — создание единого стандарта для технологии индукционной зарядки, чтобы сделать беспроводные зарядные устройства привычным атрибутом публичных мест, таких как кафе, аэропорты, спортивные арены и т. д.

Электродинамическая индукция с резонансом также используется для прямого беспроводного питания устройств, вовсе не имеющих аккумуляторов внутри. К ним относятся RFID-метки и бесконтактные смарт-карты. Схожий принцип передачи электрической энергии действует в трансформаторе Тесла — от первичного контура — индуктора — к расположенному внутри него резонатору. Сам трансформатор Тесла, в свою очередь, тоже служит беспроводным передатчиком энергии, только более электростатическим, нежели электромагнитным.

Источник

Беспроводное электричество: от идеи до реализации

Беспроводное электричество: от идеи до реализации

Из всех идей, над которыми работал инженер и физик Никола Тесла, а в этом списке были переменный ток, радио, пульт дистанционного управления (и это в конце XIX века), самой фантастической и трудно осуществимой была передача электрической энергии без проводов. И дело не в том, что сербский изобретатель не знал, как осуществить свой проект. Идея беспроводного электричества, как и электродвигатель, созданный в эпоху бурного развития нефтяной промышленности, не была оценена по достоинству и не получила поддержку от инвесторов и научного сообщества. Спустя десятилетия, когда электроприборы стали неотъемлемой частью нашего быта, система беспроводной передачи электричества (БПЭ) снова будоражит умы инженеров по всему миру. Каких результатов уже удалось достичь, и какие способы используется сегодня?

«Когда это будет сделано, вы сможете отправиться в любую точку мира — на вершину горы с видом на вашу ферму, в Арктику или в пустыню — и установить небольшое оборудование, которое даст вам тепло для приготовления пищи, а свет для чтения. Это оборудование поместиться в небольшой сумке, как обычный чемодан. В ближайшие годы беспроводные светильники будут столь же распространены на фермах, как и обычные электрические светильники в наших городах».

Никола Тесла, «The American Magazine», апрель 1921 года

Беспроводная передача электричества: что это

«Беспроводной» — одно из самых трендовых слов последнего времени: интернет, мобильные телефоны, наушники, зарядные устройства, радио. Эти технологии тоже можно считать видом беспроводной передачи энергии, но в них главенствующая роль отводиться информации (качеству ее передачи, скорости), а в случае с электричеством показателем эффективности является сохранность передаваемой энергии без использования электрической цепи из токопроводящих элементов.

Кто изобрел беспроводное электричество?

Во время выставки в Чикаго в 1893 году Никола Тесла продемонстрировал беспроводное освещение при помощи люминесцентных ламп. Сегодня подобный эксперимент может повторить кто угодно, достаточно встать с лампой дневного света под линией высокого напряжения. А в то время — было похоже на магический сеанс, поэтому пресса и очевидцы вознесли изобретателя на вершину популярности.

беспроводная электроэнергия это

Но в научном мире нет единства, что именно Тесла создал беспроводное электричество: считается, что он доработал идею, которую уже развивали другие ученые.

В 1820 году Андре Мари Ампер записал закон, названный впоследствии в его честь, указывающий на то, что во время использования электрического тока образуется магнитное поле.

Спустя 11 лет Майклом Фарадеем был открыт закон индукции: в ходе опыта установил, что магнитное поле, генерируемое в одном проводнике, способно индуцировать ток в другом проводнике.

В 1864 году Джеймс Максвелл объединил имеющиеся теории, и вывел уравнение, описывающее электромагнитное поле и его связь с электрическими зарядами и токами в вакууме и сплошных средах.

 беспроводное электричество кто придумал

В 1891 году Никола Тесла улучшил передатчик волн, изобретенный Генрихом Герцом тремя годами ранее, и запатентовал его как устройство для радиочастотного энергоснабжения: патент No 454,622; «Система электрического освещения». Параллельно с сербским ученым, исследования электромагнитных волн ведут Александр Попов (Россия), Гульельмо Маркони (Италия), Джагдиш Боше (Индия).

Как работает беспроводное электричество: индукция

Несмотря на то, что последние десятилетия технологии активно развивались, один из самых популярных способов передачи электроэнергии без проводов, мало чем отличается от того, которым пользовался Фарадей. Одна резонансная медная катушка подключается к источнику питания, вторая — играет роль приемника.

Видео работы беспроводного электричества с использованием двух катушек наглядно демонстрирует и простоту технологии, и ее главную проблему – небольшой радиус действия. Также с его помощью невозможно передавать большие объемы энергии (катушки расплавятся) при том, что КПД около 40% (Тесла об этом писал еще в 1899 году).

Читайте также:  Контурный ток это фиктивный ток введенный для удобства расчетов

Однако, нельзя сказать, что магнитная индукция не нашла своего применения. Сегодня технология активно используется для производства беспроводных зарядных устройств. Компания Apple 2017 году презентовала свои беспроводные зарядные устройства, как нечто революционное, хотя фактически этой новинке больше 100 лет.

Беспроводное электричество: популярные технологии

Помимо индукции, на которую делают главные ставки производители электрокаров и гаджетов, известны еще 3 способа: лазеры, микроволны, ультразвук. Ученые убеждены, что каждое из этих направлений может получить развитие в будущем.

  • Лазеры. Энергия передается путем преобразования ее в луч, которые направляется на фотоэлемент приемника. Таким способом можно передавать большие объемы энергии, но эти планы разбиваются об атмосферу Земли, из-за которой большая часть (около 60%) энергии рассеивается. Но в безвоздушных пространствах технология вполне жизнеспособна. Именно поэтому компании, осваивающие космические просторы, продолжают изучение лазерных технологий: в 2009 году NASA даже был организован конкурс с призовым фондом в $900 тыс. по лазерной БПЭ. Первое место заняла Laser Motive: на 1км и 0,5 кВт переданной непрерывной мощности. При том, что конечно цели достигли только 10% энергии, эксперимент назвали успешным.

 беспроводное электричество популярные технологии

  • Микроволны. Теоретически радиоволновую передачу энергии можно сделать направленной, используя полупроводники или лампы (циклотронный преобразователь энергии). Полупроводники сейчас активно используются во всем мире, но что касается передачи больших объемов энергии, то необходимо использовать и большее количество полупроводников. Это не только увеличивает стоимость проекта, но и появляется переизлучение, т.е. находиться близко у таких панелей – не безопасно. Но полупроводниковые системы показали высокую эффективность: более 80%. Это доказал еще Вильям Бараун в 1975 году, передав 30 квт на расстояние более 1 км. Создателями циклотронного преобразователя энергии являются советские ученые Владимир Савин и Владимир Ванке, хотя его КПД не превышает 70-80%, надежность достаточно высокая.
  • Ультразвук. Технология была представлена в 2011 году на выставке «The All Things Digital» (D9). Студенты Пенсильванского университета использовали ультразвуковой передатчик и приемник (преобразовывал улавливающее электричество). Радиус действия – около 10 метров. Недостатки: должна быть прямая видимость между «узлами», низкий КПД. Но, передаваемые ультразвуковые частоты, не оказывают воздействия на людей или животных.

Беспроводные зарядные устройства: использование в быту и инфраструктуре

Самым востребованным и популярным девайсом с использованием беспроводной передачи электроэнергии являются зарядные устройства. Это может быть не только смартфон или планшет поддерживающий технологию, но и робот-пылесос, электросамокат, электровелосипед и электрическая зубная щетка.

универсальные беспроводные зарядки

Универсальность беспроводных зарядок – несомненный плюс технологии. Их создают по стандарту Qi (читается как «Ци»), разработанному Консорциумом беспроводной электромагнитной энергии (Wireless Power Consortium): заряд на расстоянии до 4 см. Samsung и Xiaomi также выпускают универсальные беспроводные зарядки. Кстати, если Samsung EP-PG950 не может заряжать гаджеты через чехол, то для Xiaomi Mi Wireless Charging Pad – это не проблема.

Индукционные зарядки для электрических электросамокатов (кикскутеров) устанавливают в Германии. Easy Charge, созданная компаниями Metz и Intis, универсальная и может взаимодействовать с устройствами разных производителей, а благодаря тому, что зарядное выпускается в нескольких модификация (на одно или 5 мест), его можно использовать и в общественных местах.

Беспроводные зарядные устройства где используют

Джошуа Смит (сотрудник компании Intel) совместно с Марин Солджачич – доцент кафедры физики MIT (Massachusetts Institute of Technology) основали проект WiTricity. Они сосредоточили свои силы на разработке системы БПЭ среднего диапазона, за основу взята магнитно-резонансная связь. В результате в 2017 году появились универсальные беспроводные зарядные устройства для электрокаров DRIVE 11. Приемник устанавливается на днище авто, а передатчики – где угодно (в общественных местах, на станциях заправки или в гаражах владельцев электрокаров).

Автомобильный концерн BMW также запустил продажи беспроводной индуктивной зарядки. Комплект состоит из индукционной зарядной станции – GroundPad, которая подходит для помещений и установки на открытом воздухе, второй элемент — CarPad (система зарядки автомобиля). После того, как авто оказывается над зарядкой, GroundPad генерирует магнитное поле, а CarPad индуцирует электрический ток, который затем передается в аккумулятор. За 3,5 часа батарея будет полностью заряжена. Аналогичную систему концерн разрабатывает и для мотоциклов.

Беспроводные зарядные устройства для электромобилей

В Швеции в 2018 году появилась целая электрифицированная дорога eRoadArlanda. Это 2-км участок дороги вблизи Стокгольма, с установленными отбойниками-троллеями. Пока электрокар находится над этой линией, подвижные токосъемники заряжают батареи.

Использовать ее могут электрогрузовики, разработанные в рамках проекта eRoadArlanda, в будущем технологию будут совершенствовать, чтобы сделать универсальной.

А вот в норвежском Осло разрабатывают систему бесконтактной подзарядки именно для легковых электромобилей в такси. В рамках государственной программы «ElectriCity» будет реализована зарядная система, которая позволит заряжать аккумуляторы, не теряя рабочего времени: например, пока водитель ожидает новый заказ или ждет клиентов.

Инженеры стартапа Emrod пошли дальше: беспроводная система передачи электроэнергии на большие расстояния уже тестируется в Новой Зеландии. Хотя инженеры Emrod не раскрывают точных деталей своей разработки известно, что технология подразумевает использование микроволнового излучения. Устройству, работающему в широком спектре частот, не обязательно находиться вблизи непосредственных потребителей. Это позволяет электрифицировать удаленные населенные пункты, при этом не производить вырубку деревьев для прокладки линии электропередач. Кроме того, технология должна снизить цену на электроэнергию.

 беспроводное электричество Новая Зеландия

Что касается безопасности, то по заверению создателей, излучение неионизирующее (не наносит вред человеку, животным, растительности). Также для дополнительной защиты установки укомплектованы сигнальным, лазерным лучом малой мощности, который сканирует линию передачи на наличие помех, и в случае их выявления, автоматически останавливает работу устройства. Примерно через полгода можно будет сделать выводы о его эффективности и создании полноценной системы. Примечательно, что поддержку стартапу Emrod оказывает один из главных дистрибьюторов электроэнергии в Новой Зеландии – Powerco. Это говорит о том, что крупные игроки энерго-рынка понимают важность поиска альтернатив в «зеленом» сегменте.

В XIX веке, в котором зарождались и беспроводная энергия и беспроводная связь, приоритет был отдан второму открытию. Возможно, теперь, когда связь уже налажена, ученые уделят внимание беспроводным технологиям передачи энергии, сделав их доступнее и дешевле. Это, в свою очередь, ускорило бы переход от двигателей внутреннего сгорания к электрокарам, решив часть проблем экологии.

Источник

Беспроводная передача электрического тока с использованием явления электромагнитной индукции проект

В индивидуальной ученической работе по физике на тему «Беспроводная передача электрического тока с использованием явления электромагнитной индукции» автор проводит исследование ЭМИ, чтобы отснять рекламный видеоролик беспроводных зарядных устройств, тем самым повысив уровень информирования слушателей и их интерес к научной сфере электромагнитной индукции.

Подробнее о работе:

В ходе учебного исследовательского проекта по физике «Беспроводная передача электрического тока с использованием явления электромагнитной индукции» учащийся школы провел исследование рыночных предложений беспроводных зарядных устройств для гаджетов, определил плюсы беспроводных зарядок и разработал рекламную компанию для привлечения покупателей данного сегмента электронной продукции.

Оглавление

Введение
1. История явления электромагнитной индукции.
2. Физические основы явления электромагнитной индукции.
3. ЭМИ в современном мире.
4. Анализ рынка продукции.
5. Плюсы беспроводной зарядки.
6. Основа рекламы.
Заключение
Приложение
Глоссарий
Список источников

Введение

Решением проблемы может стать повышение спроса на альтернативные источники энергии, что приведёт к конкуренции в данной сфере, а значит, заставит производителей искать более экономичные материалы и методы изготовления продукции, что невозможно без финансирования и поддержки научной сферы.

Именно поэтому я решила создать рекламу беспроводных зарядных устройств, которые являются примером использования явления ЭМИ в повседневной жизни. Это продемонстрирует явление электромагнитной индукции, тем самым повысит уровень информирования потенциальных покупателей и их интерес к данной отрасли.

Моими задачами является провести анкетирование для подтверждения или опровержения выдвинутой гипотезы: уровень информирования людей о беспроводной передаче электрического тока недостаточен. Для этого я должна изучить факты об электромагнитной индукции и физические основы данного явления для представления их слушателям, после чего обратить внимание на визуальные аспекты создания рекламы, чтобы безоговорочно заинтересовать аудиторию.

Актуальность: В 21 веке жизнь без электричества невозможна, но иногда крайне неудобным в использовании его делают провода. Кроме того, в рамках научных исследований и проектов также есть необходимость в освобождении пространства от проводов и передаче тока иными способами. Актуальность проекта лежит на поверхности: в современном мире растёт потребность в использовании устройств в с принципом действия, основанном на электромагнитной индукции, которые способны заменить проводные конструкции, но наука не уделяет этому явлению должного внимания.

Противоречие: Ещё известный изобретатель Никола Тесла говорил: «Практическая передача электрической энергии без проводов и производство разрушительного воздействия на расстоянии, безусловно, возможно. Я уже конструировал беспроволочные передачи, которые делают это. Мои навыки продвинулись так далеко, что воздействия большой разрушительной силы могут быть переданы в любую точку земного шара, определенную заранее с большой точностью».

Однако, во-первых, до сих пор на домах и в квартирах, в лабораториях и на заводах полно проводов, которые снижают надёжность оборудования, а также представляют собой опасность. Во-вторых, электричеством обеспечена далеко не вся планета: в некоторых странах это всё ещё роскошь.

Проблема: Отсутствие широкодоступной альтернативы проводным конструкциям вследствие недостаточного уровня развития технологий в сфере электромагнитной индукции.

Цель: К марту 2020 года отснять рекламный видеоролик беспроводных зарядный устройств, тем самым повысив уровень информирования слушателей и их интерес к научной сфере электромагнитной индукции.

  1. Изучить историю явления электромагнитной индукции;
  2. Изучить физические основы явления электромагнитной индукции;
  3. Найти устройства, использующие явление электромагнитной индукции;
  4. Провести анкетирование среди учащихся на тему беспроводной передачи электрического тока;
  5. Выявить плюсы беспроводных устройств;
  6. Отснять рекламный видеоролик и смонтировать его.
Читайте также:  Генератор постоянного тока параллельного возбуждения устройство

Гипотеза: Уровень информирования людей о беспроводной передаче электрического тока (о беспроводных зарядных устройствах) недостаточен.

Продукт: Рекламный видеоролик беспроводных зарядный устройств. В нём представлены основные плюсы беспроводной зарядки в доступной, понятной и интересной форме. Картинка должна вызывать интерес и быть динамичной. Ролик не занимает более двух минут. Присутствует смена локаций и крупные планы беспроводной зарядки.

История явления электромагнитной индукции

При изменении направления тока стрелка разворачивалась на 180°. Физик считал, что если в этом опыте электрический ток обладает магнитной силой, а, по его же убеждению, все силы взаимопревращаемы, то и движение магнита также должно создавать электрический ток.

В том же 1822 г. Фарадей описывает в своём дневнике попытку обнаружить «состояние», обусловленное течением тока: «поляризовать луч света от лампы путем отражения и попытаться обнаружить, не окажет ли деполяризующее действие вода, расположенная между полюсами вольтовой батареи в стеклянном сосуде. ». Ученый так пытался получить какую-нибудь информацию о свойствах тока для продолжения исследования, но опыт не дал ничего.

Следующий похожий опыт датирован 28 ноября 1825 г.: батарея гальванических элементов соединялась проводом; параллельно этому проводу, отделённому двойным слоем бумаги, располагался другой, концы которого присоединялись к гальванометру. Фарадей рассуждал: если ток — движение некой электрической жидкости, и это движение действует на постоянный магнит, то движущаяся жидкость в одном проводнике должна заставить двигаться неподвижную жидкость в другом, вследствие чего гальванометр должен зафиксировать ток. Эксперимент также дал отрицательный результат.

Десять лет спустя, в 1831 году Фарадей предположил, что индукция должна возникнуть не только при стационарном процессе. Данная мысль оказалась ключевой, потому что главной причиной неудач предыдущих опытов являлось незнание того факта, что электрический ток порождается только переменным магнитным полем, причём достаточно сильным.

В результате был сделан долгожданный прорыв – открыто явление электромагнитной индукции (ЭМИ). Для усиления данного эффекта следовало быстро передвигать магнит, а проводник свернуть в катушку. С этого открытия начался самый плодотворный период исследований Фарадея (1831—1840), давший научному миру его знаменитую серию статей «Экспериментальные исследования по электричеству».

Установка, на которой экспериментатором было совершено открытие, состояла из кольца 2 сантиметра шириной и 15 сантиметров диаметром, материалом которого послужило мягкое железо. На каждой из половин кольца было намотано большое количество витков медной проволоки, образуя две обмотки.

Проволока замыкала цепь первой обмотки, в витках которой располагалась магнитная стрелка, удаленная настолько, чтобы не сказывалось воздействие магнетизма, созданного в кольце. Сквозь вторую обмотку пропускался ток от батареи гальванических элементов. При пропускании тока магнитная стрелка осуществляла некоторое количество колебаний и успокаивалась; когда ток прерывали, стрелка снова колебалась.

В это же время американский физик Джозеф Генри также успешно проводил опыты по изучению индукции, но, пока он собирался, чтобы опубликовать результаты своих опытов, в печати появилась информация об открытии Фарадеем ЭМИ.

Физические основы явления электромагнитной индукции

Фарадеем была сформулирована основная причина появления тока в замкнутом контуре. В замкнутом проводящем контуре ток возникает при изменении числа линий магнитной индукции, которые пронизывают этот контур.

Чем больше будет это изменение, тем сильнее получится индукционный ток. Неважно, каким образом мы добьемся изменения числа линий магнитной индукции. Например, это можно сделать движением контура в неоднородном магнитном поле, как это происходило в опыте с магнитом или движением катушки. А можем, например, изменять силу тока в соседней с контуром катушке, при этом будет изменяться магнитное поле, создаваемое этой катушкой.

Индукционный ток в катушке из металлической проволоки возникает при введении магнита внутрь катушки и при его выведения из катушки, а также при изменении силы тока во второй катушке, магнитное поле которой пронизывает первую катушку

Появление электрического тока в замкнутом контуре при изменениях магнитного поля, пронизывающего контур, свидетельствует о действии в контуре сторонних сил неэлектростатической природы или о возникновении электродвижущей силы индукции. ЭДС — скалярная физическая величина, характеризующая работу сторонних сил. В замкнутом проводящем контуре ЭДС равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль всего контура.

Единица магнитного потока в Международной системе единиц называется вебером (Вб). Она определяется на основании использования закона электромагнитной индукции. Магнитный поток через площадь, ограниченную замкнутым контуром, равен 1 Вб, если при равномерном убывании этого потока до нуля за 1 секунду в контуре возникает ЭДС индукции 1 В.

ЭМИ в современном мире

Подобный механизм используется и в, например, современных беспроводных зарядках. Но передающее устройство нужно подключать к розетке сетевого напряжения, так что совсем избавиться от проводов не получится. Связь между катушками осуществляется посредством электромагнитного поля, которое проходит через воздушный зазор, так же может проходить и через пластик, дерево и другие не металлические поверхности.

Почему же беспроводные зарядные устройства не так актуальны, а лаборатории всё ещё окутаны проводами? Для какого-либо ответа на этот вопрос я решила провести анкетирование среди своих ровесников и их родителей. Всего в опросе приняло участие 50 подростков в возрасте 16-17 лет и 75 взрослых людей (родителей). Целью анкетирования было выявить, что люди знают о современных технологиях и велика ли актуальность устройств, использующих ЭМИ. Содержание анкетирования находится в приложении 1.

По результатам опроса 80% школьников знает, что такое электромагнитная индукция, из курса физики, но большинство из них совершенно не догадываются, где она применяется. Их родители обладают подобной информацией в меньших масштабах – всего 65% тех, кто имеет представления об ЭМИ.

Знающих, что ЭМИ применяется именно в беспроводных зарядных устройствах, среди школьников оказалось всего 7%, среди взрослых — 13%. На вопрос о том, почему в их жизни не используются подобные устройства, большинство школьников ответили, что велика цена, а некоторые из меньшинства заявили: нет потребности (Подробные результаты анкетирования в Приложении 2).

Гипотеза подтвердилась: уровень информирования людей о беспроводной передаче электрического тока недостаточен.

Анализ рынка продукции

По запросу «беспроводная зарядка» нашлось четыре страницы товаров, самый популярный из которых — XiaomiMiWirelessChargingPad средней стоимостью в магазинах 1290 рублей.

ЭМИ 1

Отметим, что средняя стоимость любой проводной зарядки – 200-300 рублей, из чего можно сделать вывод, что беспроводное устройство для среднестатистического покупателя не представляет интереса, так как, скорее всего, для него такая высокая стоимость является переплатой за не столь большие изменения в бытовой жизни и заявленные преимущества.

1. Устройства SAMSUNG

Популярностью также пользуются и устройства этого бренда, а именно две модели:

Samsung EP-P5200

ЭМИ 2

Samsung EP-P1100

ЭМИ 3

Цена первого намного выше среднего, второго – практически на равных с Xiaomi.

ЭМИ 4

3. Иные производители.

Листая каталог товаров ниже, можно увидеть устройства и за 40000 рублей. Конечно, здесь есть гарантия качества и высокая мощность, но из чего складывается цена? Конечно, не только из используемых материалов, но и из сложности технологии, конструкции. В начале своей работы я заявила, что сфера ЭМИ малоразвита, и данные факты – тому подтверждение.

ЭМИ 6

Цена в основном так и колеблется от 1500 рублей до 20000 рублей. Ассортимент беспроводных зарядок не так широк. Производством подобных товаров занимаются только ведущие бренды, прибавляя к стоимости не только цену технологии, но и своё имя.

Плюсы беспроводной зарядки

Чтобы убедить потребителей в том, что беспроводные зарядки важны, нужно не только заявить о развитии науки, на которую многим всё равно, но и об удобстве. Стоит ли будущее за беспроводными зарядками?

Плюсы беспроводных зарядных устройств:

  • Сохранение в целости разъемов. Чем чаще заряжается устройство, тем сильнее расшатывается выделенный для этого разъем. Беспроводные зарядки это исключают, оставляя разъему функцию передачи данных, например, с одного носителя на другой.
  • Удобство не только в домашних условиях. Будь технология беспроводной зарядке менее затратной – можно было бы оборудовать ими места общественного питания или иные публичные пространства. Гораздо проще положить телефон на стол, чем искать розетку и тянуть провода.
  • Распространение. Несмотря ни на что, технология набирает популярность. Количество телефонов, поддерживающих её, растёт.
  • Безопасность. Провода могут выходить из строя: перетираться, ломаться, тем самым представлять опасность для потребителей, повышая вероятность получения удара электрическим током.
  • Экономия времени. Значительная часть беспроводных зарядных устройств обеспечивают полный заряд аккумулятора несколько быстрее, чем обычные зарядки, что очень важно в наше время, когда время является одним из самых важных ресурсов.

Основа рекламы

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.

Читайте также:  Выпрямитель переменного тока таблицы

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.

Источник



Беспроводная передача электричества по теории Тесла

Многие годы ученые бьются над вопросом минимизации электрических расходов. Есть разные способы и предложения, но все, же самой известной теорией является беспроводная передача электричества. Предлагаем рассмотреть, как она выполняется, кто является её изобретателем и почему пока что её не воплотили в жизнь.

Теория

Беспроводное электричество – это буквально передача электрической энергии без проводов. Люди часто сравнивают беспроводную передачу электрической энергии с передачей информации, например, радио, сотовые телефоны, или Wi-Fi доступ в Интернет. Основное различие заключается в том, что с радио-или СВЧ-передач – это технология, направленная на восстановление и транспортировку именно информации, а не энергии, которая изначально была затрачена на передачу.

Беспроводной электроэнергии является относительно новой областью технологии, но достаточно динамично развивающейся. Сейчас разрабатываются методы, как эффективно и безопасно передавать энергию на расстоянии без перебоев.

Как работает беспроводное электричество

Основная работа основана именно на магнетизме и электромагнетизме, как и в случае с радиовещанием. Беспроводная зарядка, также известна как индуктивная зарядка, основана на нескольких простых принципах работы, в частности технология требует наличия двух катушек. Передатчика и приемника, которые вместе генерируют переменное магнитное поле непостоянного тока. В свою очередь это поле вызывает напряжение в катушке приемника; это может быть использовано для питания мобильного устройства или зарядки аккумулятора.

Если направить электрический ток через провод, то вокруг кабеля создается круговое магнитное поле. Несмотря на то, что магнитное поле воздействует и на петлю, и на катушку сильнее всего оно проявляется именно на кабеле. Когда возьмете второй моток проволоки, на который не поступает электрический ток, проходящий через него, и место, в которое мы установим катушку в магнитном поле первой катушки, электрический ток от первой катушки будет передаваться через магнитное поле и через вторую катушку, создавая индуктивную связь.

Как пример возьмем электрическую зубную щетку. В ней зарядное устройство подключено к розетке, которая отправляет электрический ток на витой провод внутри зарядного устройства, создающего магнитное поле. Существует вторая катушка внутри зубной щетки, когда ток начинает поступать и на неё, благодаря образовавшемуся МП, начинается заряд щетки без её непосредственного подключения к сети питания 220 В.

История

Беспроводная передача энергии в качестве альтернативы передачи и распределения электрических линий, впервые была предложена и продемонстрирована Никола Тесла. В 1899 году Тесла презентовал беспроводную передачу на питание поля люминесцентных ламп, расположенных в двадцати пяти милях от источника питания без использования проводов. Но в то время было дешевле сделать проводку из медных проводов на 25 миль, а не строить специальные электрогенераторы, которых требует опыт Тесла. Патент ему так и не выдали, а изобретение осталось в закромах науки.

В то время как Тесла был первым человеком, который смог продемонстрировать практические возможности беспроводной связи еще в 1899 году, сегодня, в продаже есть совсем немного приборов, это беспроводные щетки наушники, зарядки для телефонов и прочее.

Технология беспроводной связи

Беспроводной передачи энергии включает в себя передачу электрической энергии или мощности на расстоянии без проводов. Таким образом, основная технология лежит на концепции электроэнергии, магнетизма и электромагнетизма.

Магнетизм

Это фундаментальная сила природы, которая провоцирует определенные типы материала притягивать или отталкивать друг друга. Единственными постоянными магнитами считаются полюса Земли. Ток потока в контуре генерирует магнитные поля, которые отличаются от осциллирующих магнитных полей скоростью и временем, потребным для генерации переменного тока (AC). Силы, которые при этом появляются, изображает схема ниже.

Так появляется магнетизм

Электромагнетизм – это взаимозависимость переменных электрических и магнитных полей.

Магнитная индукция

Если проводящий контур подключен к источнику питания переменного тока, он будет генерировать колебательное магнитное поле внутри и вокруг петли. Если второй проводящий контур расположен достаточно близко, он захватит часть этого колеблющегося магнитного поля, которое в свою очередь порождает или индуцирует электрический ток во второй катушке.

Видео: как происходит беспроводная передача электричества

Таким образом, происходит электрическая передача мощности от одного цикла или катушки к другой, что известно как магнитная индукция. Примеры такого явления используются в электрических трансформаторах и генератора. Это понятие основано на законах электромагнитной индукции Фарадея. Там, он утверждает, что, когда есть изменение магнитного потока, соединяющегося с катушкой ЭДС, индуцированного в катушке, то величина равна произведению числа витков катушки и скорости изменения потока.

Электрический трансформатор

Электрический трансформатор

Мощностная муфта

Эта деталь необходима, когда одно устройство не может передавать энергию на другой прибор.

Магнитная связь генерируется, когда магнитное поле объекта способно индуцировать электрический ток с другими устройствами в поле его досягаемости.

Два устройства, как говорят, взаимно индуктивно-связанной или магнитную связь, когда они выполнены так, что изменение тока при том, что один провод индуцирует напряжение на концах другого провода посредством электромагнитной индукции. Это связано с взаимной индуктивности

Технология

принцип индуктивной связи

Принцип индуктивной связи

Два устройства, взаимно индуктивно-связанные или имеющие магнитную связь, выполнены так, что изменение тока при том, что один провод индуцирует напряжение на концах другого провода, производится посредством электромагнитной индукции. Это связано с взаимной индуктивностью.
Индуктивная связь является предпочтительной из-за её способности работать без проводов, а также устойчивости к ударам.

Резонансная индуктивная связь является сочетанием индуктивной связи и резонанса. Используя понятие резонанса можно заставить два объекта работать зависимо от сигналов друг друга.

Концепция резонанса индуктивной связи

Как видно из схемы выше, резонанс обеспечивает индуктивность катушки. Конденсатор подключен параллельно к обмотке. Энергия будет перемещаться назад и вперед между магнитным полем, окружающим катушку и электрическим полем вокруг конденсатора. Здесь потери на излучение будет минимальными.

Существует также концепция беспроводной ионизированной связи.

Она тоже воплотима в жизнь, но здесь необходимо приложить немного больше усилий. Эта техника уже существует в природе, но вряд ли есть целесообразность ее реализации, поскольку она нуждается в высоком магнитном поле, от 2,11 М /м [10] . Её разработал гениальный ученый Ричард Волрас, разработчик вихревого генератора, который посылает и передает энергию тепла на огромные расстояния, в частности при помощи специальных коллекторов. Самой простой пример такой связи – это молния.

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.

Источник