Беспроводная передача электрического тока

XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Беспроводная передача электрического тока

Поликарпова С.В. 1
1МБОУ лицей №4 г. Красногорска
Молоканова О.А. 1
1МБОУ лицей №4 г. Красногорска
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время беспроводная передача электрической энергии переживает интенсивное развитие, определяющееся огромным количеством потребителей, желающих получать энергию без проводов. В наш век высоких технологий почти невозможно не найти устройства, работающие беспроводным путем с помощью различных аккумуляторных батарей (компьютерная мышь, ноутбук, смартфон). Не все аккумуляторные батареи способны питать приемник достаточно длительное время, а если это и возможно, то размеры батареи составляют слишком большие величины.

Решение данной проблемы–технологии беспроводной передачи электрического тока, а именно беспроводная передача энергии для зарядки аккумуляторов.

Беспроводная передача энергии - революционная технология, которая позволяет передавать энергию без использования проводов или кабелей. Этот метод передачи энергии основан на использовании электромагнитных полей и позволяет заряжать устройства, находящиеся на расстоянии от источника энергии.

Беспроводные устройства применимы не только для зарядки аккумуляторов смартфонов, ноутбуков. Данный вид технологии успешно применяют в промышленной сфере: заряд аккумуляторов транспортных средств, устройств в медицине, в военной технике, в качестве источника для светодиодного освещения в помещении и др.. Учитывая различные способы беспроводной передачи энергии и растущий спрос на данную технологию, производители и потребители такого рода устройств остановились на беспроводной передачи электрического тока методом электромагнитной индукции.

Практическая значимость работы: продемонстрировав явление электромагнитной индукции, повысить уровень информирования слушателей и их интерес к научной сфере электромагнитной индукции для дальнейшего удобства при заряде аккумуляторных батарей.

Новизна: создание альтернативного источника энергии для работы электрических устройств вне жилищных условий, доказывающее существование альтернативного источника напряжения.

Проблема: малый процент информированности людей об альтернативном источнике энергии.

  1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗУЧЕНИЯ ПРИНЦИПА БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ТОКА

    1. История открытия беспроводной передачи тока

Возможность передачи электроэнергии на расстояние впервые обнаружил Стивен Грей в 1720-е годы. В опытах Грея заряд передавался по шёлковому проводу на расстояние до 800 футов.

Беспроводная передача энергии в качестве альтернативыэлектрических линий, впервые была предложена и продемонстрирована Николой Тесла. В 1899 году Тесла презентовал беспроводную передачу люминесцентных ламп, расположенных в 25 милях от источника питания (без использования проводов).

Катушка Тесла — устройство, представляющее из себя резонансный трансформатор, производящий напряжение высокой частоты. Прибор был запатентован 22 сентября 1896 года как «Аппарат для производства электрических токов высокой частоты и потенциала».

В основе работы прибора лежат резонансные стоячие электромагнитные волны. У него есть две проводниковые катушки — первичная и вторичная. В первичной обмотке как правило небольшое количество витков. Вместе с ней идут конденсатор и искровой промежуток. Вторичная обмотка — это прямая катушка провода. Когда частоты колебания колебательного контура первичной обмотки совпадают с собственными колебаниями стоячих волн вторичной обмотки возникает резонанс и стоячая электромагнитная волна. В итоге между концами катушки появляется высокое переменное напряжение.

    1. Виды беспроводной передачи энергии

1.Ультразвуковой способ

В этом способе есть передатчик и приёмник. Передатчик излучает ультразвук, приёмник преобразовывает слышимый ультразвук в электричество. Передаваемое напряжение достигало 8 вольт на расстоянии 7–10 метров. При этом между приёмникоми передатчиком должна быть непосредственная видимость. Доказано, что используемые ультразвуковые частоты никак не действуют на человека. Применение передачи электроэнергии при помощи ультразвука невозможна и не целесообразна из-за ограничений во многих государствах, низкого кпд и дороговизны продукта.

2. Метод электромагнитной индукции

Суть явления электромагнитной индукции заключается в том, что переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле, порождающее индукционный ток в замкнутом контуре.

Электромагнитная индукция существует благодаря электромагнитным полям, которые должны располагаться на расстоянии около 1/6 длины волны. Энергия ближнего поля не является излучающей, однако некоторые радиационные потери всё же происходят. Имеют место быть и резистивные (мощностные) потери. Даже на относительно небольших расстояниях индуктивная связь становится крайне неэффективной, и расходует большую часть передаваемой энергии в пустую.

Для улучшения электромагнитной индукции используют резонанс. Резонансная индукция работает за счёт передатчика и приёмника, настроенные на одну частоту, это позволяет току быть в виде электромагнитной волны, а не в виде электромагнитного поля.

3. Электростатическая индукция

Электростатическая связь представляет собой прохождение электричества через диэлектрик. В практическом плане это выглядит так, что ток образуется из электрического поля, которое создаётся за счёт двух или более изолированными пластинами, узлами, электродами или клеммами, возвышающимися над проводящей поверхностью. Сама индукция получается из электрического поля наводящееся в пластинах переменным током высокого потенциала и частоты. Расстояние между двумя электродами и питаемым устройством образует разницу потенциалов. Самый распространённый пример применения электростатической индукцииэто-беспроводные лампы, которые можно располагать в любом месте в пределах электрического поля, которое создаёт источник.

4. Лазерный метод

Энергию можно передать путём её преобразования в луч лазера, который затем может быть направлен на фотоэлемент приёмника. В 2000-х годах ситуация начала меняться: появились инфракрасные лазеры с КПД до 40−50%.

Благодаря этому способу мы можем передать энергию на большие расстояния, но есть ряд недостатков. Самый существенный – атмосфера Земли, она поглощает большую часть энергии, переданной от лазера. Энергией с орбиты можно было бы снабжать всю Землю. Такие компании как NASA, EADS занимаются такими технологиями уже с 2003 г. Вторая важная проблема – невозможность использовать передачу в пасмурную погоду.

Лазерный метод передачи энергии также активно развивается. Разработанный Иваном Мацаком и его коллегами космический эксперимент «Пеликан» позволит испытать новый путь передачи энергии с российского сегмента МКС на борт грузового корабля «Прогресс».

    1. Сферы беспроводной передачи энергии

В сфере электроники беспроводная передача энергии используется для зарядки мобильных устройств (смартфоны и планшеты). Многочисленные адаптеры и зарядные устройства разных производителей, отличающиеся электрическими характеристиками и конструкциями, становятся существенной проблемой для владельцев такого рода оборудования, поэтому переход к универсальным зарядным устройствам является весьма важным вопросом потребителей. Беспроводные зарядные устройства позволяют удобно заряжать устройства без необходимости подключения проводов. Кроме того, беспроводная передача энергии может быть использована для питания различных устройств в домашней электронике, таких как умные колонки или умные часы.

В энергетике беспроводная передача энергии может быть использована для передачи электроэнергии на большие расстояния. Это может быть полезно в случаях, когда проводная передача энергии невозможна или неэффективна.

Беспроводная передача энергии имеет широкое применение в медицинской сфере. Одним из примеров является беспроводная зарядка для имплантируемых медицинских устройств, таких как кардиостимуляторы или слуховые аппараты. Благодаря беспроводной передаче энергии, пациенты могут избежать необходимости регулярно менять батарейки или проводить процедуры зарядки устройств.

В военной отрасли технологию беспроводной передачи электроэнергии используют в технике военного назначения для повышения надежности, безопасности электронных устройств и эргономичности. К таким технологиям можно отнести военные каски, в которых электронные устройства питаются от батарей, расположенных в специальном жилете солдата, что исключает необходимость соединения проводов или одноразовых батарей.

Еще одним ярким примером использования беспроводной зарядки является зарядка аккумуляторов автомобилей. В настоящее время такие системы уже обеспечивают передачу мощности на транспортные средства величиной 3,3 кВт с высокой эффективностью на расстоянии 10-20 см. В таком случае, для осуществления зарядки индуцированным способом, автомобиль достаточно расположить над передающим устройством, в то время как процесс зарядки начнется автоматически.

  1. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ПРИНЦИПА РАБОТЫ БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ТОКА

    1. Необходимые элементы для сбора катушки Тесла

Для сбора простой катушки Тесла необходимы следующие материалы и инструменты: кусок полипропиленовой трубы (d20 мм, l -150мм), переключатель, транзистор 2n2222а, резистор 22 кОм, провод диаметром 1,8 мм, проволока обмоточная 0,3мм, батарейка 9 В крон, коннектор для кроны, изоляционная лента, кусок фанеры, саморезы, клей, припой, нож канцелярский, паяльник, отвертка, первичная катушка L1 (содержит 4 витка медного провода диаметром1,8 мм), вторичная катушка L2 (содержит 280 витков медного провода диаметром 0,3 мм).

    1.  Сбор катушки Тесла

Сбор катушки L2 (вторичная высоковольтная обмотка) – в качестве ее корпуса использую полиэтиленовую трубку. На одном краю трубки фиксирую изоляционной лентой край медного провода и начинаю обмотку. Необходимо сделать 280 витков, важно укладывать их плотно друг к другу, не допускать перехлестов и пропусков. Недопустимы разрывы. Последние витки также фиксирую изоляционной лентой.

Сбор катушки L1-- для изготовления первичной обмотки нужен провод. Количество витков обмотки — четыре. Пропускаю проволоку через провод.

Провод

С помощью клей-пистолета закрепляю катушку L2 к дощечке.

Следующим этапом закрепляю на ней переключатель от которого исходят два провода. Один из них связан с резистором, ножки которого укорачиваются, он припаивается между коллектором транзистораивыводом первичной обмотки. На другом находится клемма для батареи, также он связан с транзистором.

Затем на катушку надевается первичная обмотка, и фиксируется в ее нижней части.

Последним этапом является припаивание второго вывода первичной обмотки к базе транзистора.

Простейшая катушка Тесла готова. Люминесцентная лампа при замыкании ключа загорается (на малом расстоянии).

ОБЗОР ПРОФЕССИИ ИНЖЕНЕР-ЭЛЕКТРОНИК

    1.  Профессия инженер-электроник на современном рынке труда

Профессия инженер-электроник на современном рынке труда является востребованной и перспективной. Инженеры-электроники работают в отраслях, таких как: электроника, компьютерные технологии, автомобильная промышленность и энергетика. Несмотря на то, что ряд процессов в электронной индустрии может быть автоматизирован, роль человека во многих аспектах остается незаменимой. Инженеры-электроники требуются для решения сложных технических проблем, разработки новых идеи и внедрения инноваций. Профессия инженер-электроник предлагает широкий спектр возможностей для карьерного роста и развития. Она позволяет работать на различных проектах, сотрудничать с международными командами и принимать участие в создании передовых технологий.

    1. Запросы по профессии инженер-электроник на рынке

Функция инженера-электроника сильно изменилась. Во многом из-за появления небольших высокотехнологичных компаний, которым нужны сотрудники-универсалы. На большинстве производств предъявляют высокие требования к специалистам – они должны уметь проектировать электронные схемы, подбирать компоненты, программировать микроконтроллеры. И даже быть немного экономистами, чтобы устройство оправдывало затраты на его изготовление. 
Внезапно из хорошего инженерного направления электроника стала критически-жизненно-важным. Потому что перед ней поставили слишком много задач. А людей для их решения слишком мало. Недостаточно проектировать электронные схемы, нужно видеть наперед все этапы. Даже если на предприятии надо решить отдельную задачу, весь процесс нужно держать в голове: думать, как это будет эксплуатироваться, насколько это будет удобно использовать, ремонтировать. Тот, кто это умеет– бесценный специалист.

    1. Прогноз развития профессии инженер-электроник

Бурное развитие технологий интернет вещей и искусственного интеллекта приведет к росту спроса на специалистов, способных разрабатывать и сопровождать электронные устройства и системы.

Увеличение автоматизации в различных отраслях промышленности потребует специалистов, способных проектировать и внедрять современные системы управления и контроля.

Развитие мобильных технологий и гаджетов повлечет за собой спрос на инженеров-электроников, способных разрабатывать новые устройства и расширять их функциональность.

Переход к энергоэффективным технологиям и использованию возобновляемых источников энергии также создаст дополнительный спрос на специалистов в области электроники.

То есть профессия инженер-электроник останется востребованной и перспективной в будущем, при условии постоянного обучения и развития профессиональных навыков.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенного проекта исследования было показано, что бБеспроводная передача электрического тока имеет большой потенциал для применения в различных областях жизни, таких как медицина, автомобильная промышленность, энергетика и другие. Эта технология обладает рядом преимуществ, таких как устранение необходимости в использовании проводов, повышение безопасности и удобства использования. Однако, для дальнейшего внедрения этой технологии необходимо провести дополнительные исследования и разработки, чтобы улучшить эффективность передачи и увеличить расстояние передачи сигнала. В целом, беспроводная передача электрического тока открывает новые перспективы для развития современных технологий и может стать ключевым элементом в построении более современного и удобного мира. Беспроводная передача электрического тока имеет большой потенциал для применения в различных областях жизни, таких как медицина, автомобильная промышленность, энергетика и другие. Эта технология обладает рядом преимуществ, таких как устранение необходимости в использовании проводов, повышение безопасности и удобства использования. Однако, для дальнейшего внедрения этой технологии необходимо провести дополнительные исследования и разработки, чтобы улучшить эффективность передачи и увеличить расстояние передачи сигнала. В целом, беспроводная передача электрического тока открывает новые перспективы для развития современных технологий и может стать ключевым элементом в построении более современного и удобного мира.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ

  1. 1.(https://moluch.ru/archive/332/74121/?ysclid=lt5waucgvd592424732)

  2. https://www.mvideo.ru/blog/pomogaem-razobratsya/kak-rabotaet-besprovodnaya-zaryadka-tehnologiya-preimushhestva-bezopasnost?ysclid=lrqaz0epd62198195

  3. https://usamodelkina.ru/15846-miniatjurnaja-i-prostaja-katushka-tesla-svoimi-rukami.html?ysclid=lt5wy9l65q943802418&utm_referrer=https%3A%2F%2Fyandex.ru%2Fsearch%2F%3Ftext=%25D0%25BA%25D0%25B0%25D1%2582%25D1%2583%25D1%2588%25D0%25BA%25D0%25B0+%25D1%2582%25D0%25BF%25D1%2581%25D0%25BB%25D0%25B0+%25D0%25BF%25D1%2580%25D0%25BE%25D1%2581%25D1%2582%25D0%25B0%25D1%258F+%26lr=10735ё

  4. https://маэо.рф/professiya-inzhener-elektronik/

  5. https://dzen.ru/a/ZK93UefHPwnpb7vT

  6. 1.https://cyberleninka.ru/article/n/istoriya-razvitiya-tehnologii-besprovodnoy-peredachi-elektroenergii?ysclid=lt5wgx7fnd19059344

Просмотров работы: 67