XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Физические принципы передачи электрической энергии без проводов. Демонстрационный эксперимент
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Одним из определяющих направлений в техническом и технологическом развитии человеческой цивилизации явилось создание электрических генераторов и повсеместное использование электрической энергии. Неотъемлемой технологической составляющей при этом, была разработка систем передачи электрической энергии на большие расстояния. Принципы передачи электрической энергии с использованием проводных линий электропередачи практически без изменения дошли до наших дней. К сожалению, такой способ передачи электрической энергии, имеет ряд принципиальных недостатков. Это, во-первых, весьма затратное строительство самих линий электропередач, которые к тому же не всегда можно построить до каждого потребителя, во-вторых, в самих линиях электропередачи теряется на тепловое излучение достаточно большое количество энергии. Поэтому одной из технологических проблем, которая интересует и изобретателей, и ученых являлась идея передачи электрической энергии без проводов на большие расстояния.
К сожалению, до промышленного уровня эта проблема не решена до конца и до наших дней.
Вместе с тем идея передачи электрической энергии без проводов интересна и для школьников. Казалось бы, убедительным доказательством такой возможности является работа обычного детекторного радиоприемника, который работает только за счет энергии приносимой радиоволной. Однако такие примеры и отдельные разработки в школьных проектах (подтверждающие такую возможность), когда индикатором приема электрической энергии являются звуковые устройства или стрелочные приборы не являются убедительными. Оказалось, что для современного школьника, да и обычного взрослого человека реальным подтверждением такой возможности, является только свечение «лампочки Ильича», которая получает электрическую энергию без проводов.
Поэтому основной целью нашей работы явилась разработка системы простейших взаимосвязанных опытов, используя которую можно было бы не только самим познакомиться с физическими принципами передачи электрической энергии на расстояние без проводов, но и в реальном демонстрационном эксперименте познакомить учащихся на уроках физики с такой возможностью.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Познакомиться с физическими принципами, лежащими в основе возможной практической передачи электроэнергии без проводов.
2. Проанализировать и выделить наиболее перспективные к настоящему времени технологии передачи электроэнергии без проводов.
3. Подобрать (разработать) ряд простейших демонстрационных опытов, дающих наглядное представление о технологиях по беспроводной передачи электроэнергии.
-
Индукционный метод по передачи электрической энергии без проводов
Исторически первым физическим явлением обеспечивающим передачу электрической энергии без проводов явилось явление электромагнитной индукции экспериментально открытое Фарадеем в 1881 г. Фарадей показал, что при изменении магнитного потока, проходящего через контур, в последнем возникает ЭДС, и при его замыкании электрический ток. Естественно, в те годы это не рассматривалось как один из способов передачи электрической энергии на расстояние без проводов. Только много позднее, когда на практике стали применяться реальные трансформаторы, принцип работы которых как раз и основан на явлении электромагнитной индукции, ученые, инженеры и изобретатели обратили внимание на такую возможность.
Опыт 1. Для практической демонстрации передачи электрической энергии без проводов индуктивным способом можно использовать обычный разборный трансформатор из типового оборудования лаборатории физики (Рис.1).
|
Рис. 1. Оборудование и демонстрация передачи электрической энергии без проводов индуктивным способом. |
|
В этой демонстрации используется сердечник трансформатора (в первом опыте, не замкнутый), первичная катушка (обмотка) на 220 В, подключаемая в сеть переменного тока и вторичная обмотка на 12 В, к которой подключена лампа накаливания на 12 В. Непосредственно (с помощью проводников) цепи вторичной и первичной обмоток не связаны. При этом если вторичную катушку начинать надевать на сердечник трансформатора то лампочка загорится
Опыт 2. Если замкнуть сердечник трансформатора (что увеличит действие магнитного поля на вторичную обмотку), то свечение будет более ярким.
Опыт 3. При наличии второй катушки с первичной обмоткой от аналогичного трансформатора, демонстрацию можно сделать более эффективной (Рис.2). В этом случае мы имеем так называемый разделительный трансформатор с коэффициентом трансформации К=1 и ко вторичной обмотке можно подключить достаточно мощную лампу накаливания на 220 В. (Данный опыт требует большой осторожности и его необходимо проводить с соблюдением всех мер ТБ.). КПД такой передачи энергии без проводов более 96%, что говорит о высокой эффективности данного явления в передачи энергии.
|
Рис. 2. Передача электрической энергии без проводов большой мощности. |
Опыт 4. При беспроводной передаче электрической энергии методом электромагнитной индукции надо учитывать, что в этом случае используется, так называемое ближнее магнитное поле, проявляющее себя на расстояниях не более 1/6 длины волны излучения (стандартная частота переменного тока 50 Гц). Поэтому для практического применения данного явления, обмотки (катушек) должно быть расположены достаточно близко друг к другу. По мере удаления вторичной обмотки от первичной большая часть ближнего магнитного поля просто не достигает вторичной обмотки (даже при использовании сердечника и расположения катушек на расстояниях в несколько сантиметров). Индуктивная связь в этом случае становится не эффективной и лампочка светит достаточно слабо (Рис.3).
|
Рис. 3. Ослабление индуктивной связи (в передачи электической энергии) при увеличении расстояни между обмотками |
Усовершенствованным вариантом индуктивной связи для передачи электрической энергии на большее расстояние является так называемая резонансно-индуктивная связь. Сущность ее состоит в том, что первичную и вторичные цепи (обмотки) можно рассматривать как два колебательных контура, роль конденсаторов в которых выполняет возникающая электроемкость между витками проволоки обмоток. Если эти контура (например, за счет изменения числа витков в обмотках и расстояния между витками) настроить на одинаковую частоту (в резонанс), то дальность передачи электрической энергии может достигать десяти сантиметров, без использования сердечника. Это позволяет уже более свободно располагать относительно друг друга передающую и премную катушки, и более того, это явление можно использовать для одновременной подачи электрической энергии сразу нескольким потребителям.
На основе использования резонансно-индуктивной связи уже сейчас разработан ряд технологий по передачи электрической энергии без проводов на небольшие расстояния, которые применяются на практике. Так, на основе явления резонансно-индуктивной связи налажен коммерческий выпуск беспроводных зарядных устройств для различных моделей гаджетов; разрабатываются технологии беспроводной зарядки электромобилей; индуцированное излучение (токи Фуко) с частотой 20−100 кГц широко применяются в быту в индукционных плитах нагревающих железосодержащую посуду и т. д.
Опыт 5. Демонстрируется работа одного из имеющихся беспроводных зарядных устройств (электрическая зубная щетка, мобильный телефон и т.п.).
Вместе с тем, и индуктивно-резонансный и тем более индуктивный способы передачи эклектической энергии без проводов не позволяют их использовать для передачи электрической энергии на большие расстояния.
2. Передача электрической энергии без проводов с помощью радиоволн
В опытах по передаче электрической энергии без проводов на основе явления электромагнитной индукции можно обнаружить еще одну интересную закономерность. Это наличие так называемого дальнего поля, которое проявляет себя, хотя значительно слабее, но на большем удалении от первичной обмотки. Дальнее поле - это та область, в которой магнитное поле преобразуется в «нормальное» электромагнитное излучение (т. е. в бегущую поперечную электромагнитную волну).
Опыт 6. В наличии такого излучения можно убедиться в простом опыте с использованием, например, обычной электронной отвертки-пробника ОП-2Э (она позволяет обнаруживать электромагнитное излучение с частотой 50-500 Гц.). Для этого, надо переключить пробник на бесконтактный метод измерения и подносить его в различные точки пространства вблизи первичной обмотки. Звуковая и световая сигнализация (светится светодиод зеленого цвета) пробника покажет наличие электромагнитного излучения с частотой 50 Гц (Рис. 4). Уже этот опыт показывает, что возможна передача электрической энергии без проводов в виде электромагнитного изучения (электромагнитной волны).
|
Рис. 4. Обнаружение дальнего электромагнитного поля на большем удалении от первичной обмотки. |
|
Однако, при этом, надо учитывать физические особенности дальнего поля и свойства электромагнитного излучения, которые накладывают ряд принципиальных ограничений.
-
В дальней зоне действия излучателя мощность излучения уменьшается пропорционально квадрату расстояния.
-
Энергия переносимая электромагнитной волной зависит прямо пропорционально не только от квадрата амплитуды колебаний, но от квадрата частоты излучения.
На шкале электромагнитных колебаний, излучение с частотой 50 Гц относится к низкочастотным колебаниям. Поэтому чтобы повысить дальность передачи электрической энергии без проводов можно увеличить частоту излучения и использовать для этого, например, диапазон волн, выделенный для радиосвязи. Для радиосвязи используется диапазон частот от 3 кГц до 3000 ГГц (3 ТГц). Учитывая принципиальные особенности в излучении и распространении радиоволн различной длины, для демонстрации передачи электрической энергии большей мощности наиболее приемлемым очевидно можно считать УКВ диапазон. Частотный диапазон УКВ-волн, используемых для радиосвязи, составляет от 30 МГц до 3000 МГц.
Для демонстрации передачи электрической энергии с помощью радиоволн, необходимо иметь:
1. Передатчик с антенной, который должен преобразовывать электрическую энергию в электромагнитное излучение и передавать его в окружающие пространство.
2. Приемник с приемной антенной, который должен улавливать электромагнитные волны данной частоты и преобразовывать их обратно в электричество.
В радиолюбительской литературе имеется ряд разработок технических устройств и демонстраций по передачи электрической энергии на расстояние с помощью радиоволн. К сожалению, все они, как правило, реализуют технологию радиочастотной передачи энергии на удалении для маломощных устройств. Индикатором наличия такой передачи являются либо стрелочные электроизмерительные приборы, либо звуковые устройства. Для того чтобы показать принципиальную возможность передачи электрической энергии достаточной мощности с помощью радиоволн, наиболее приемлемым оказалось использование демонстрационного комплекта УКВ генератора, который выпускался для кабинетов физики в 70-х годах прошлого века (Рис.5).
Опыт 7. Конструкция генератора выполнена на радиолампах, и он обеспечивает излучение электромагнитной энергии достаточной мощности. УКВ генератор создает электромагнитные волны частотой 150 МГц, т.е. длиной волны 2 м. В верхней части генератора установлена антенна (полуволновой диполь), имеющая индуктивную связь с катушкой генератора. Длина антенны равна 1 м, т.е. половине длины волны, излучаемой генератором. В качестве приемника используется приемный диполь такой же длины, в разрыв цепи которого включена обычная лампа накаливания, рассчитанная на рабочее напряжение 1 В.
Располагая приемный диполь на некотором удалении от передающей антенны можно обнаружить яркое свечение лампочки (Рис. 5).
|
Рис. 5. Передача электрической энергии без проводов в виде электромагнитного изучения (радиоволн). |
Опыт 8. Вместо приемного диполя, можно использовать обычный колебательный контур с катушкой и конденсатором переменной емкости (как в системах радиосвязи). Изменяя емкость конденсатора можно настроиться в резонанс, и лампочка, включенная в цепь катушки, будет также ярко светиться. Это указывает на возможность избирательного приема электрической энергии передаваемой без проводов различным потребителям (Рис. 6).
|
Рис. 6. Демонстрация приема электрической энергии приемным колебательным контуром. |
-
Использование высокочастотного электромагнитного излучения для передачи электрической энергии без проводов
Передача электрической энергии без проводов в виде радиоволн возможна на огромные расстояния. Однако их практическое использование оказалось реализованным только для различных систем радиосвязи и телевизионного вещания, так как энергия этого диапазона электромагнитного излучения распространяется по всем направлениям и активно поглощается средой и нужны очень чувствительные приемные устройства для ее обнаружения.
Дальность распространения электромагнитных волн и особенности их излучения (конструкция и размеры передающей антенны) зависят от их частоты, и очевидно, есть еще возможность обнаружить излучение определенной частоты, которое будет наиболее полно отвечать возможностям практической передачи электрической энергии большой мощности без проводов на большие расстояния к нужному потребителю.
Уже сейчас есть определенные технические и технологические решения по передачи электрической энергии без проводов с использованием определенных высокочастотных диапазонов волн: высоковольтного высокочастотного излучения (по типу работы трансформатора Тесла), видимого света с использованием лазеров оптического диапазона и СВЧ - излучения.
Первой практической технической реализацией демонстрирующей эту возможность, явилось использование высокочастотного высоковольтного излучения ученым и талантливым изобретателем Н. Тесла. Им был создано устройство (трансформатор Тесла), которое он планировал использовать для передачи электрической энергии без проводов на большие расстояния. Этот прибор был запатентован 22 сентября 1896 года под названием «Аппарат для производства электрических токов высокой частоты и потенциала». [4]
У Н. Теслы были большие планы, он надеялся, что его лаборатория «башня Ворденклиф», расположенная на Лонг-Айленд, будет без проводов передавать электрическую энергию даже через Атлантический океан. К сожалению, осуществить этот замысел Н. Тесла в полной мере не удалось, в том числе и из-за различных финансовых проблем.
Продемонстрировать излучение такой энергии (высокочастотного высоковольтного излучения) без проводов можно с использованием устройства на основе качера Бровина. Описание простых схем таких устройств в сети интернет и в ученических проектах предложено достаточно много. Для своих опытов опытов мы использовали высоковольтный высокочастотный генератор, удовлетворяющий всем необходимым ограничениям для его использования в учебном демонстрационном эксперименте. [4]
Опыт 9. При работегенератора в пространстве создается электрическое поле большой напряженности. Если к катушке (или индуктору) работающего трансформатора Тесла поднести лампу дневного света (или энергосберегающую лампу), то в ней возникает электрический разряд и лампа начинает светиться (Рис. 7).
|
Рис. 7. Передача электрической энергии в виде высокочастотного излучения. |
|
Такой же тлеющий разряд в разреженном газе наблюдается и с использованием газоразрядных трубок. Если трубки будут с различными газами (неон, водород и др.), то можно наблюдать яркое свечение разного цвета (Рис.7).
Заключение
В настоящее время в наиболее технологически развитых странах мира уже проводятся практические работы (выходящие за рамки лабораторного эксперимента) по передаче электрической энергии на большие расстояния без проводов. Хотя для таких технологий имеются не только экономические, но и сугубо технические и экологические ограничения, разработки в этом направлении, тем не менее, активизируются. Наиболее перспективными считаются реализации передачи электрической энергии без проводов в оптическом диапазоне радиоволн с использованием лазеров. Ведутся также активные разработки с использованием СВЧ излучения (микроволнового излучения). Эти технологии уже локально внедряются для различных систем вооружения.
Учитывая, что высокочастотное электромагнитное излучение с высокой плотностью передачи энергии губительно для биологических объектов, то можно предположить, что оно будет иметь в ближайшей перспективе только ограниченное применение в критически важных технологиях. Вместе с тем, ученые не теряют надежды на успешную разработку эффективных систем передачи электроэнергии на большие расстояния по защищенным каналам передачи электромагнитного излучения, не наносящего вред всему живому на Земле.
Проведенное нами исследование позволило также разработать систему взаимосвязанных опытов, наглядно иллюстрирующих физические явления (принципы), лежащие в основе наиболее разработанных технологий по беспроводной передачи электроэнергии. Отличительной особенностью всех предложенных демонстраций (опытов) является «свечение» обычных ламп накаливания от электрической энергии, переданной без проводов. Это, как оказалось, является наиболее убедительным подтверждением существования подобных технологий.
Разработанная система простых демонстрационных опытов может быть интересна и для учителей физики для ознакомления учащихся с рассматриваемой проблемой.
Литература
1. Газизов Н.А., Куликов Д.В., Тонкушин А.С., Вальцева А.И. Обзор методов беспроводной передачи энергии. Уральский федеральный университет, Екатеринбург. 2019.https://elar.urfu.ru/bitstream/10995/88137/1/eir_2019_137.pdf
-
Беспроводная передача энергии. Технологии и принципы. Академия Суперайс.https://supereyes.ru/articles/other/tekhnologii-besprovodnoy-peredachi-energii/
-
Цыганков А.В., Кивенко Б.Е., Березовский Д.К. Способы передачи электроэнергии беспроводными методами.// «Молодой ученый». https://moluch.ru/archive/332/74121
-
Голоушин И.М., Курицын О.А. Трансформатор Тесла. Демонстрация свойств высоковольтного высокочастотного излучения// Международный школьный научный вестник. 2020. № 2; URL: http://school-herald.ru/article/view?id=1304