Kraftübertragung über eine Distanz ohne Kabel
Entwicklungsgeschichte
Die Entwicklung einer elektrischen Energieübertragung ohne Kabel über eine Distanz ist mit Fortschritten auf dem Gebiet der Funktechnik verbunden, da beide Prozesse von gleicher Natur sind. Die Erfindungen in beiden Bereichen sind mit der Untersuchung des Verfahrens der elektromagnetischen Induktion und seiner Auswirkungen auf die Bildung von elektrischem Strom verbunden.
Im Jahr 1820 A.M. Ampere entdeckte das Gesetz der Wechselwirkung von Strömen, das darin bestand, dass, wenn der Strom entlang zweier nahe beieinander liegender Leiter in einer Richtung fließt, sie sich gegenseitig anziehen und wenn sie sich in unterschiedlicher Richtung befinden, abstoßen.
Im Jahr 1831 stellte M. Faraday im Verlauf von Experimenten fest, dass ein durch den Stromfluss erzeugtes magnetisches Wechselfeld (das sich in Größe und Richtung ändert) Ströme in nahegelegenen Leitern induziert (induziert). Das heißt, Es erfolgt eine Übertragung von Elektrizität ohne Kabel. Im Detail Faradays Gesetz wir haben in dem Artikel früher betrachtet.
Nun, J. K. Maxwell, 33 Jahre später, 1864, übertrug Faradays experimentelle Daten auf eine mathematische Form, und Maxwells Gleichungen selbst sind für die Elektrodynamik von grundlegender Bedeutung. Sie beschreiben, wie elektrischer Strom und elektromagnetisches Feld zusammenhängen.
Die Existenz elektromagnetischer Wellen wurde 1888 von G. Hertz im Rahmen seiner Experimente mit einem Funkensender mit einem Zerhacker auf einer Rumkorf-Spule bestätigt. So wurden EM-Wellen mit einer Frequenz von bis zu einem halben Gigahertz erzeugt. Es ist erwähnenswert, dass diese Wellen von mehreren Empfängern empfangen werden können, sie müssen jedoch in Resonanz mit dem Sender abgestimmt werden. Die Reichweite der Anlage betrug rund 3 Meter. Wenn im Sender ein Funke auftrat, trat dies auch bei den Empfängern auf. Tatsächlich sind dies die ersten Experimente zur Übertragung von Elektrizität ohne Kabel.
Der berühmte Wissenschaftler Nikola Tesla hat eingehende Untersuchungen durchgeführt. Er studierte 1891 Wechselstrom mit hoher Spannung und Frequenz. Als Ergebnis wurden die Schlussfolgerungen gezogen:
Für jeden spezifischen Zweck müssen Sie die Installation auf die entsprechende Frequenz und Spannung einstellen. Eine hohe Frequenz ist jedoch keine Voraussetzung. Die besten Ergebnisse wurden bei einer Frequenz von 15 bis 20 kHz und einer Sendespannung von 20 kV erzielt. Um einen hochfrequenten Strom und eine hochfrequente Spannung zu erhalten, wurde eine Schwingungskondensatorentladung verwendet. Somit ist es möglich, sowohl Elektrizität zu übertragen als auch Licht zu erzeugen.
Der Wissenschaftler demonstrierte in seinen Reden und Vorträgen das Leuchten von Lampen (Vakuumröhren) unter dem Einfluss eines hochfrequenten elektrostatischen Feldes.Tatsächlich waren die wichtigsten Schlussfolgerungen von Tesla, dass selbst bei Verwendung von Resonanzsystemen mit einer elektromagnetischen Welle nicht viel Energie übertragen werden kann.
Parallel dazu befassten sich eine Reihe von Wissenschaftlern bis 1897 mit ähnlichen Studien: Jagdish Boche in Indien, Alexander Popov in Russland und Guglielmo Marconi in Italien.
Jeder von ihnen hat zur Entwicklung der drahtlosen Energieübertragung beigetragen:
- J. Boche entzündete 1894 Schießpulver und übertrug Elektrizität ohne Kabel in eine Entfernung. Er tat dies bei einer Demonstration in Kalkutta.
- A. Popov übermittelte am 25. April (7. Mai) 1895 unter Verwendung des Morsecodes die erste Nachricht.
- Im Jahr 1896 sendete G. Marconi in Großbritannien auch ein Funksignal (Morsecode) über eine Entfernung von 1,5 km, später 3 km in der Salisbury Plain.
Es ist erwähnenswert, dass die Arbeit von Tesla, die auf einmal unterschätzt wurde und jahrhundertelang verloren ging, die Arbeit seiner Zeitgenossen in Bezug auf Parameter und Fähigkeiten übertraf. Zur gleichen Zeit, nämlich im Jahr 1896, sendeten seine Geräte ein Signal über große Entfernungen (48 km), leider war es eine kleine Menge Strom.
Und 1899 kam Tesla zu dem Schluss:
Das Versagen der Induktionsmethode scheint im Vergleich zur Methode der Anregung der Ladung von Erde und Luft enorm.
Diese Ergebnisse werden zu weiteren Studien führen. 1900 gelang es ihm, eine Lampe von einer im Feld durchgeführten Spule anzutreiben, und 1903 wurde der Wondercliff-Turm auf Long Island in Betrieb genommen. Es bestand aus einem Transformator mit einer geerdeten Sekundärwicklung, und auf seiner Oberseite stand eine kugelförmige Kupferkuppel. Mit seiner Hilfe wurden 200 50-Watt-Lampen angezündet. Gleichzeitig war der Sender 40 km von ihm entfernt. Leider wurden diese Studien unterbrochen, die Finanzierung eingestellt und die kostenlose Übertragung von Strom ohne Kabel für Geschäftsleute wirtschaftlich nicht rentabel. Der Turm wurde 1917 zerstört.
In unseren Tagen
Die drahtlosen Energieübertragungstechnologien haben vor allem im Bereich der Datenübertragung einen großen Schritt nach vorne gemacht. So bedeutende Erfolge wurden durch Funkkommunikation, drahtlose Technologien wie Bluetooth und Wi-Fi erzielt. Es gab keine besonderen Neuerungen, hauptsächlich die geänderten Frequenzen, die Signalverschlüsselungsmethoden und die von analog auf digital umgeschaltete Signaldarstellung.
Wenn wir über die Übertragung von Elektrizität ohne Kabel zur Stromversorgung elektrischer Geräte sprechen, ist es erwähnenswert, dass Forscher des Massachusetts Institute 2007 2 Meter Energie übertragen und auf diese Weise eine 60-Watt-Glühbirne angezündet haben. Diese Technologie heißt WiTricity und basiert auf der elektromagnetischen Resonanz von Empfänger und Sender. Es ist erwähnenswert, dass der Empfänger etwa 40-45% des Stroms erhält. Ein verallgemeinertes Diagramm einer Vorrichtung zum Übertragen von Energie durch ein Magnetfeld ist in der folgenden Abbildung dargestellt:
Das Video zeigt ein Beispiel für die Anwendung dieser Technologie zum Laden eines Elektrofahrzeugs. Die Quintessenz ist, dass ein Empfänger an der Unterseite des Elektroautos angebracht ist und ein Sender auf dem Boden in der Garage oder anderswo installiert ist.
Sie müssen das Gerät so parken, dass sich der Empfänger über dem Sender befindet. Das Gerät überträgt viel Strom ohne Kabel - von 3,6 bis 11 kW pro Stunde.
Das Unternehmen erwägt in Zukunft die Bereitstellung von Strom mit solchen Technologien und Haushaltsgeräten sowie die gesamte Wohnung als Ganzes. Im Jahr 2010 stellte Haier ein drahtloses Fernsehgerät vor, das mit ähnlicher Technologie sowie drahtloses Video mit Strom versorgt wird. Andere führende Unternehmen wie Intel und Sony führen solche Entwicklungen ebenfalls durch.
Im Alltag werden drahtlose Energieübertragungstechnologien häufig zum Aufladen eines Smartphones eingesetzt. Das Prinzip ist ähnlich - es gibt einen Sender, es gibt einen Empfänger, der Wirkungsgrad beträgt etwa 50%, d.h. Bei einer Ladung von 1A verbraucht der Sender 2A. Der Sender wird in solchen Geräten normalerweise als Basis bezeichnet, und der Teil, der mit dem Telefon verbunden ist, ist der Empfänger oder die Antenne.
Eine weitere Nische ist die drahtlose Übertragung von Elektrizität mithilfe von Mikrowellen oder einem Laser.Dies bietet einen größeren Aktionsradius als einige Meter, was eine magnetische Induktion bewirkt. Bei der Mikrowellenmethode ist eine Rectenna (nichtlineare Antenne zum Umwandeln einer elektromagnetischen Welle in Gleichstrom) an der Empfangsvorrichtung installiert, und der Sender lenkt seine Strahlung in diese Richtung. In dieser Version der drahtlosen Übertragung von Elektrizität ist keine direkte Sichtbarkeit von Objekten erforderlich. Der Nachteil ist, dass Mikrowellenstrahlung nicht sicher für die Umwelt ist.
Wir empfehlen, ein Video anzusehen, in dem das Problem ausführlicher behandelt wird:
Abschließend möchte ich darauf hinweisen, dass die drahtlose Übertragung von Elektrizität für den täglichen Gebrauch sicherlich praktisch ist, aber ihre Vor- und Nachteile hat. Wenn wir über die Verwendung solcher Technologien zum Laden von Gadgets sprechen, besteht das Plus darin, dass Sie den Stecker nicht ständig in den Anschluss Ihres Smartphones stecken bzw. daraus entfernen müssen, da der Anschluss nicht ausfällt. Der Nachteil ist der geringe Wirkungsgrad. Wenn für ein Smartphone der Energieverlust nicht signifikant ist (einige Watt), dann für das kabellose Laden eines Elektroautos - dies ist ein sehr großes Problem. Das Hauptziel der Entwicklung dieser Technologie ist die Steigerung der Effizienz der Anlage, da vor dem Hintergrund des weit verbreiteten Wettlaufs um Energieeinsparung der Einsatz von Technologien mit geringem Wirkungsgrad sehr zweifelhaft ist.
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