نقل الكهرباء عن بعد. نقل الكهرباء عبر مسافة لاسلكيا

تكنولوجيات بيئة الاستهلاك: قام العلماء في مختبر أبحاث ديزني الأمريكي بتطوير طريقة الشحن اللاسلكيمما يجعل الأسلاك والشواحن غير ضرورية.

تتمتع الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وغيرها من الأجهزة المحمولة اليوم بقوة وأداء هائلين. ولكن، بالإضافة إلى جميع مزايا الأجهزة الإلكترونية المحمولة، فهي تتمتع أيضًا الجانب العكسي– الحاجة المستمرة لإعادة الشحن عبر الأسلاك. وعلى الرغم من كل تكنولوجيا البطاريات الجديدة، إلا أن هذه الضرورة تقلل من راحة الأجهزة وتحد من حركتها.

وقد وجد العلماء في مختبر أبحاث ديزني الأمريكي حلاً لهذه المشكلة. لقد طوروا طريقة شحن لاسلكية جعلت الأسلاك وأجهزة الشحن غير ضرورية. علاوة على ذلك، تتيح لك طريقتهم شحن الأدوات الذكية في نفس الوقت، ولكن أيضًا، على سبيل المثال، الأجهزة المنزليةوالإضاءة.

"ملكنا طريقة مبتكرةيفعل التيار الكهربائييقول ألانسون سامبل، أحد مديري المختبر وعالمه البارز: «موجود في كل مكان مثل شبكة Wi-Fi». "إنه يفتح الطريق لمزيد من التطورات في مجال الروبوتات، التي كانت محدودة في السابق بسعة البطارية. لقد أثبتنا حتى الآن تشغيل التركيب في غرفة صغيرة، ولكن لا توجد عوائق أمام زيادة سعته إلى حجم المستودع.

تم تطوير نظام النقل اللاسلكي للكهرباء في تسعينيات القرن التاسع عشر على يد العالم الشهير نيكولا تيسلا، لكن الاختراع لم يتم توزيعه على نطاق واسع. تعمل أنظمة نقل الطاقة اللاسلكية اليوم بشكل رئيسي في مساحات ضيقة للغاية.

تتضمن الطريقة، التي تسمى رنين التجويف شبه الساكن (QSCR)، تطبيق تيار على جدران الغرفة وأرضيتها وسقفها. وهي بدورها تولد مجالات مغناطيسية تعمل على جهاز استقبال يحتوي على ملف متصل بالجهاز الذي يتم شحنه. يتم نقل الكهرباء المولدة بهذه الطريقة إلى البطارية، بعد أن مرت مسبقًا عبر المكثفات التي تستبعد تأثير المجالات الأخرى.

وقد أظهرت الاختبارات أنه بهذه الطريقة، من خلال التقليدية الشبكة الكهربائيةويمكن نقل ما يصل إلى 1.9 كيلووات من الطاقة. هذه الطاقة كافية لشحن ما يصل إلى 320 هاتفًا ذكيًا في نفس الوقت. علاوة على ذلك، وفقا للعلماء، فإن هذه التكنولوجيا ليست باهظة الثمن ويمكن إنتاجها تجاريا بسهولة.

تم إجراء الاختبارات في مكان تم إنشاؤه خصيصًا هياكل الألومنيومغرفة مساحتها 5 في 5 متر . وأكدت العينة أن الجدران المعدنية قد لا تكون ضرورية في المستقبل. سيكون من الممكن استخدام الألواح الموصلة أو الطلاء الخاص.

يدعي المطورون أن طريقتهم في نقل الطاقة عبر الهواء لا تشكل أي تهديد لصحة الإنسان أو أي كائن حي آخر. يتم ضمان سلامتهم من خلال المكثفات المنفصلة التي تعمل كعازل ضد المجالات الكهربائية التي يحتمل أن تكون خطرة. نشرت

يتمتع النقل اللاسلكي لتوصيل الكهرباء بالقدرة على تحقيق تقدم كبير في الصناعات والتطبيقات التي تعتمد على الاتصال المادي للموصل. وهذا بدوره يمكن أن يكون غير موثوق به ويؤدي إلى الفشل. تم عرض نقل الطاقة لاسلكيًا لأول مرة بواسطة نيكولا تيسلا في تسعينيات القرن التاسع عشر. ومع ذلك، لم يتم استخدام التكنولوجيا إلا في العقد الماضي إلى الحد الذي يوفر فوائد حقيقية وملموسة للتطبيقات العالم الحقيقي. وعلى وجه الخصوص، أظهر تطوير أنظمة الطاقة اللاسلكية الرنانة لسوق الإلكترونيات الاستهلاكية أن الشحن الاستقرائي يوفر مستويات جديدة من الراحة لملايين الأجهزة اليومية.

القوة المعنية معروفة على نطاق واسع بمصطلحات عديدة. بما في ذلك النقل الحثي، والاقتران، والرنانة شبكة لاسلكيةونفس الجهد العودة. يصف كل شرط من هذه الشروط بشكل أساسي نفس العملية الأساسية. نقل الكهرباء أو الطاقة لاسلكياً من مصدر الطاقة إلى جهد الحمل بدون موصلات عبر فجوة هوائية. الأساس عبارة عن ملفين - جهاز إرسال وجهاز استقبال. الأول متحمس لتوليد التيار المتردد المجال المغنطيسيوالذي بدوره يؤدي إلى التوتر في الثانية.

كيف يعمل النظام المعني؟

تتضمن أساسيات الطاقة اللاسلكية توزيع الطاقة من جهاز الإرسال إلى جهاز الاستقبال من خلال مجال مغناطيسي متذبذب. ولتحقيق ذلك، يتم تحويل التيار المباشر الذي يوفره مصدر الطاقة إلى تيار متردد عالي التردد. استخدام إلكترونيات مصممة خصيصًا مدمجة في جهاز الإرسال. يقوم التيار المتردد بتنشيط ملف من الأسلاك النحاسية في الموزع، مما يولد مجالًا مغناطيسيًا. عندما يتم وضع اللف الثاني (المتلقي) على مقربة. يمكن للمجال المغناطيسي أن يحفز تيارًا متناوبًا في ملف الاستقبال. تقوم الإلكترونيات الموجودة في الجهاز الأول بعد ذلك بتحويل التيار المتردد مرة أخرى إلى تيار مستمر، والذي يصبح مصدر الطاقة.

دائرة نقل الطاقة اللاسلكية

يتم تحويل الجهد "الرئيسي" إلى إشارة تكييفوالتي يتم إرسالها بعد ذلك إلى ملف جهاز الإرسال من خلال دائرة إلكترونية. يتدفق التدفق من خلال لف الموزع إلى مجال مغناطيسي. وهذا بدوره يمكن أن ينتشر إلى ملف الاستقبال، الموجود في مكان قريب نسبيًا. يقوم المجال المغناطيسي بعد ذلك بتوليد تيار يتدفق عبر ملف المستقبل. ويشار أيضًا إلى العملية التي يتم من خلالها نشر الطاقة بين ملفات الإرسال والاستقبال باسم الاقتران المغناطيسي أو الرنيني. ويتم تحقيق ذلك باستخدام كلا الملفين اللذين يعملان بنفس التردد. يتم تحويل التيار المتدفق في ملف الاستقبال إلى تيار مستمر بواسطة دائرة الاستقبال. ويمكن بعد ذلك استخدامه لتشغيل الجهاز.

ما هو معنى الرنين ؟

تزداد المسافة التي يمكن أن تنتقل عبرها الطاقة (أو الطاقة) إذا كان لملفات المرسل والمستقبل صدى على نفس التردد. تمامًا مثل الشوكة الرنانة، التي تتأرجح عند ارتفاع معين ويمكن أن تصل إلى أقصى سعة. يشير هذا إلى التردد الذي يهتز به الجسم بشكل طبيعي.

مزايا الإرسال اللاسلكي

ما هي الفوائد؟ الايجابيات:

  • يقلل من التكاليف المرتبطة بالحفاظ على الموصلات المستقيمة (كما هو الحال في حلقة الانزلاق الصناعية التقليدية)؛
  • راحة أكبر للشحن التقليدي الأجهزة الإلكترونية;
  • النقل الآمن إلى التطبيقات التي يجب أن تظل مغلقة بإحكام؛
  • يمكن إخفاء الإلكترونيات تمامًا، مما يقلل من خطر التآكل الناتج عن عناصر مثل الأكسجين والماء؛
  • توصيل طاقة موثوق ومتسق للمعدات الصناعية الدوارة عالية الحركة؛
  • يوفر نقلًا موثوقًا للطاقة إلى الأنظمة الحيوية في البيئات الرطبة والقذرة والمتحركة.

بغض النظر عن التطبيق، فإن إلغاء الاتصال الفعلي يوفر عددًا من المزايا مقارنة بموصلات طاقة الكابلات التقليدية.

كفاءة نقل الطاقة المعنية

تعد الكفاءة الإجمالية لنظام الطاقة اللاسلكي العامل الأكثر أهمية في تحديد أدائه. تقيس كفاءة النظام مقدار الطاقة المنقولة بين مصدر الطاقة (أي منفذ الحائط) وجهاز الاستقبال. وهذا بدوره يحدد جوانب مثل سرعة الشحن ونطاق الانتشار.

تختلف أنظمة الاتصالات اللاسلكية حسب مستوى كفاءتها بناءً على عوامل مثل تكوين الملف وتصميمه ومسافة الإرسال. سيؤدي الجهاز الأقل كفاءة إلى توليد المزيد من الانبعاثات ويؤدي إلى مرور طاقة أقل عبر جهاز الاستقبال. عادةً، يمكن لتقنيات نقل الطاقة اللاسلكية لأجهزة مثل الهواتف الذكية تحقيق أداء يصل إلى 70%.

كيف يتم قياس الكفاءة؟

بمعنى مقدار الطاقة (بالنسبة المئوية) التي يتم نقلها من مصدر الطاقة إلى الجهاز المستقبل. أي أن نقل الطاقة لاسلكيًا للهاتف الذكي بكفاءة 80% يعني فقدان 20% من طاقة الإدخال بين مقبس الحائط وبطارية الجهاز الذي يتم شحنه. ومعادلة قياس كفاءة التشغيل هي: الإنتاجية = التيار المباشر الصادر، مقسوماً على الداخل، النتيجة التي تم الحصول عليها مضروبة في 100%.

الطرق اللاسلكية لنقل الكهرباء

يمكن أن تنتشر الطاقة عبر الشبكة المعنية عبر جميع المواد غير المعدنية تقريبًا، بما في ذلك على سبيل المثال لا الحصر. وتشمل هذه المواد الصلبة مثل الخشب والبلاستيك والمنسوجات والزجاج والطوب، وكذلك الغازات والسوائل. عندما يتم وضع مادة معدنية أو موصلة للكهرباء (أي، على مقربة من المجال الكهرومغناطيسي، يمتص الجسم الطاقة منه ويسخن نتيجة لذلك. وهذا بدوره يؤثر على كفاءة النظام. هذه هي الطريقة التي يعمل بها الطهي التعريفي، على سبيل المثال، النقل غير الفعال للطاقة من الفرنيخلق الحرارة للطهي.

لإنشاء نظام نقل الطاقة لاسلكيًا، من الضروري العودة إلى أصول الموضوع المطروح. أو بتعبير أدق للعالم والمخترع الناجح نيكولا تيسلا، الذي ابتكر وحصل على براءة اختراع مولد قادر على الحصول على الطاقة دون موصلات مادية مختلفة. لذلك، لتنفيذ نظام لاسلكي، تحتاج إلى جمع كل شيء عناصر مهمةوالأجزاء، نتيجة لذلك، سيتم تحقيق هذا الجهاز الذي يتم إنشاؤه المجال الكهربائيالجهد العالي في الهواء من حوله. وفي الوقت نفسه، هناك طاقة إدخال صغيرة، فهي توفر نقل الطاقة لاسلكيًا عبر مسافة.

واحدة من أهم طرق نقل الطاقة هي الاقتران الحثي. يتم استخدامه بشكل رئيسي في المجال القريب. ويتميز بحقيقة أنه عندما يمر التيار عبر أحد الأسلاك، يتولد جهد عند طرفي السلك الآخر. يحدث نقل الطاقة من خلال المعاملة بالمثل بين المادتين. مثال عام- هذا محول. تم تطوير فكرة نقل الطاقة بالموجات الدقيقة بواسطة ويليام براون. يتضمن المفهوم بأكمله تحويل طاقة التيار المتردد إلى طاقة التردد اللاسلكي ونقلها في الفضاء وإعادة إرسالها إلى طاقة التيار المتردد عند جهاز الاستقبال. في هذا النظام، يتم توليد الجهد باستخدام مصادر طاقة الميكروويف. مثل الكليسترون. وتنتقل هذه القوة عبر دليل موجي يحمي من القوة المنعكسة. وأيضًا موالف يطابق مقاومة مصدر الميكروويف مع العناصر الأخرى. يتكون قسم الاستقبال من هوائي. فهو يقبل طاقة الميكروويف ودائرة مطابقة للممانعة والفلتر. هذا هوائي الاستقبالجنبا إلى جنب مع جهاز تصحيح يمكن أن يكون ثنائي القطب. يتوافق مع إشارة الخرج مع إشعار صوتي مماثل لوحدة المقوم. تتكون كتلة الاستقبال أيضًا من قسم مماثل يتكون من الثنائيات التي تستخدم لتحويل الإشارة إلى تنبيه العاصمة. يستخدم نظام النقل هذا ترددات تتراوح بين 2 جيجا هرتز إلى 6 جيجا هرتز.

النقل اللاسلكي للكهرباء باستخدام مولد يستخدم ذبذبات مغناطيسية مماثلة. خلاصة القول هي أن هذا الجهاز يعمل بفضل ثلاثة ترانزستورات.

يتم استخدام شعاع الليزر لنقل الطاقة على شكل طاقة ضوئية، والتي يتم تحويلها إلى طاقة كهربائية عند الطرف المتلقي. تتلقى المادة نفسها الطاقة باستخدام مصادر مثل الشمس أو أي مولد كهربائي. وبناءً على ذلك، فإنه يحقق ضوءًا مركَّزًا بكثافة عالية. يتم تحديد حجم وشكل الحزمة من خلال مجموعة البصريات. ويتم استقبال ضوء الليزر المنقول هذا بواسطة الخلايا الكهروضوئية، والتي تحوله إلى إشارات كهربائية. وعادة ما تستخدم كابلات الألياف الضوئية للإرسال. كما هو الحال في نظام الطاقة الشمسية الأساسي، فإن جهاز الاستقبال المستخدم في الانتشار المعتمد على الليزر عبارة عن مجموعة من الخلايا الكهروضوئية أو لوحة شمسية. وهذه بدورها يمكن أن تحول التجوال إلى كهرباء.

الميزات الأساسية للجهاز

تأتي قوة ملف تسلا من عملية تسمى الحث الكهرومغناطيسي. وهذا يعني أن المجال المتغير يخلق الإمكانات. يتسبب في تدفق التيار. عندما تتدفق الكهرباء عبر ملف من الأسلاك، فإنها تولد مجالًا مغناطيسيًا يملأ المنطقة المحيطة بالملف بطريقة معينة. على عكس بعض التجارب الأخرى مع الجهد العالي، لقد صمد ملف تسلا أمام العديد من الاختبارات والاختبارات. كانت العملية كثيفة العمالة وتستغرق وقتا طويلا، ولكن النتيجة كانت ناجحة، وبالتالي حصل على براءة اختراع بنجاح من قبل العالم. يمكنك إنشاء مثل هذا الملف إذا كان لديك مكونات معينة. للتنفيذ سوف تحتاج إلى المواد التالية:

  1. الطول 30 سم PVC (كلما كان ذلك أفضل كلما كان ذلك أفضل)؛
  2. الأسلاك النحاسية المطلية بالمينا (سلك ثانوي)؛
  3. لوح البتولا للقاعدة
  4. 2222A الترانزستور.
  5. سلك الاتصال (الابتدائي) ؛
  6. المقاوم 22 كيلو أوم.
  7. المفاتيح وأسلاك التوصيل؛
  8. بطارية 9 فولت.

مراحل تنفيذ جهاز تسلا

للبدء، تحتاج إلى وضع فتحة صغيرة في الجزء العلوي من الأنبوب لتلتف حول أحد طرفي السلك. قم بلف الملف ببطء وحذر، مع الحرص على عدم تداخل الأسلاك أو خلق فجوات. هذه الخطوة هي الجزء الأكثر صعوبة ومملًا، لكن الوقت المستغرق سينتج بكرة جيدة وجودة عالية جدًا. كل 20 دورة أو نحو ذلك، يتم وضع حلقات من الشريط اللاصق حول الملف. إنهم بمثابة حاجز. في حالة بدء الملف في الانهيار. بمجرد الانتهاء، لف شريطًا لاصقًا ثقيلًا حول الجزء العلوي والسفلي من الغلاف ورشه بطبقتين أو ثلاث طبقات من المينا.

ثم تحتاج إلى توصيل البطارية الأساسية والثانوية بالبطارية. بعد ذلك، قم بتشغيل الترانزستور والمقاوم. اللف الأصغر هو اللف الأولي واللف الأطول هو اللف الثانوي. يمكنك أيضًا تثبيت كرة ألومنيوم أعلى الأنبوب. قم أيضًا بتوصيل الطرف المفتوح للثانوي بالطرف المضاف، والذي سيكون بمثابة هوائي. يجب تصميم كل شيء بعناية فائقة لتجنب لمس الجهاز الثانوي عند تشغيله.

إذا تم استخدامه بشكل مستقل، هناك خطر نشوب حريق. تحتاج إلى قلب المفتاح، وتثبيت مصباح متوهج بجوار جهاز نقل الطاقة اللاسلكي والاستمتاع بعرض الضوء.

الإرسال اللاسلكي عبر نظام الطاقة الشمسية

تتطلب تكوينات تنفيذ الطاقة السلكية التقليدية عادةً أسلاكًا بين الأجهزة الموزعة ووحدات المستهلك. وهذا يخلق العديد من القيود مثل تكلفة تكاليف كابل النظام. الخسائر المتكبدة في الإرسال. وأيضا النفايات في التوزيع. تؤدي مقاومة خط النقل وحدها إلى فقدان حوالي 20-30% من الطاقة المولدة.

واحدة من الأكثر حداثة الأنظمة اللاسلكيةيعتمد نقل الطاقة على النقل طاقة شمسيةاستخدام فرن الميكروويفأو شعاع الليزر. يتم وضع القمر الصناعي في مدار ثابت بالنسبة للأرض ويتكون من خلايا ضوئية. إنهم يتحولون ضوء الشمسإلى تيار كهربائي يستخدم لتشغيل مولد الميكروويف. وبناء على ذلك، فهو يدرك قوة الموجات الدقيقة. يتم إرسال هذا الجهد باستخدام الاتصالات اللاسلكية واستقباله في المحطة الأساسية. إنه مزيج من الهوائي والمقوم. ويتم تحويلها مرة أخرى إلى كهرباء. يتطلب طاقة التيار المتردد أو التيار المستمر. يمكن للقمر الصناعي إرسال ما يصل إلى 10 ميجاوات من طاقة الترددات الراديوية.

إذا كنا نتحدث عن نظام توزيع التيار المستمر، فهذا أمر مستحيل. لأن هذا يتطلب وجود موصل بين مصدر الطاقة والجهاز. هناك صورة: نظام خالي تمامًا من الأسلاك، حيث يمكنك الحصول على طاقة التيار المتردد في المنازل دون أي أجهزة إضافية. حيث يمكن شحن هاتفك المحمول دون الحاجة إلى توصيله فعليًا بمقبس. وبطبيعة الحال، مثل هذا النظام ممكن. ويحاول العديد من الباحثين المعاصرين إنشاء شيء حديث، أثناء دراسة دور تطوير طرق جديدة لنقل الكهرباء لاسلكيًا عبر مسافة. على الرغم من أنه، من وجهة نظر المكون الاقتصادي، لن يكون الأمر مربحًا تمامًا للدول إذا تم إدخال هذه الأجهزة في كل مكان واستبدال الكهرباء القياسية بالكهرباء الطبيعية.

أصول وأمثلة على الأنظمة اللاسلكية

وهذا المفهوم ليس جديدا في الواقع. تم تطوير هذه الفكرة بالكامل بواسطة نيكولاس تيسلا في عام 1893. عندما قام بتطوير نظام إضاءة الأنابيب المفرغة باستخدام تقنية الإرسال اللاسلكي. من المستحيل أن نتصور أن العالم سيكون موجودا دون مصادر مختلفة للشحن، والتي يتم التعبير عنها في شكل مادي. لتمكين الهواتف المحمولة، والروبوتات المنزلية، ومشغلات MP3، وأجهزة الكمبيوتر، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وغيرها من الأدوات المحمولة من الشحن بشكل مستقل، دون أي اتصالات إضافية، وتحرير المستخدمين من الأسلاك الثابتة. بعض هذه الأجهزة قد لا تتطلب ذلك كمية كبيرةعناصر. إن تاريخ نقل الطاقة اللاسلكية غني جدًا، ويرجع الفضل في ذلك بشكل رئيسي إلى تطورات تسلا وفولتا وغيرهما، لكن اليوم لا تزال هذه مجرد بيانات في العلوم الفيزيائية.

المبدأ الأساسي هو تحويل طاقة التيار المتردد إلى الجهد المستمرباستخدام المعدلات والمرشحات. وبعد ذلك - العودة إلى القيمة الأصلية عند التردد العالي باستخدام العاكسون. يتم بعد ذلك نقل طاقة التيار المتردد ذات الجهد المنخفض وعالية التقلب من المحول الأساسي إلى المحول الثانوي. يتحول إلى جهد تيار مستمر باستخدام مقوم وفلتر ومنظم. تصبح إشارة التيار المتردد مباشرة بسبب صوت التيار. وأيضا استخدام قسم مقوم الجسر. تمر إشارة التيار المستمر الناتجة عبر الملف تعليق، والتي تعمل بمثابة دائرة مذبذب. وفي الوقت نفسه، يجبر الترانزستور على توصيله إلى المحول الأساسي في الاتجاه من اليسار إلى اليمين. عندما يمر التيار عبر ملف التغذية المرتدة، يتدفق التيار المقابل إلى المحول الأساسي في الاتجاه من اليمين إلى اليسار.

هذه هي الطريقة التي تعمل بها طريقة الموجات فوق الصوتية لنقل الطاقة. يتم إنشاء الإشارة من خلال المحول الأساسي لكلا نصفي دورات إنذار التيار المتردد. يعتمد تردد الصوت على المؤشرات الكمية لتذبذبات دوائر المولد. تظهر إشارة التيار المتردد هذه على الملف الثانوي للمحول. وعندما يتم توصيله بالمحول الأساسي لجسم آخر، يكون جهد التيار المتردد 25 كيلو هرتز. تظهر من خلاله قراءة في المحول التنحي.

يتم معادلة جهد التيار المتردد هذا باستخدام مقوم الجسر. ومن ثم يتم تصفيته وتنظيمه لإنتاج مخرج 5 فولت لتشغيل مؤشر LED. يتم استخدام جهد الخرج 12 فولت من المكثف لتشغيل محرك مروحة التيار المستمر لتشغيله. لذا، من وجهة نظر الفيزياء، يعد نقل الكهرباء مجالًا متطورًا إلى حد ما. ومع ذلك، كما تظهر الممارسة، فإن الأنظمة اللاسلكية لم يتم تطويرها وتحسينها بشكل كامل.

في أحد المواضيع السابقة، نظرنا إلى كيفية نقل العالم الصربي الشهير نيكولا تيسلا الكهرباء باستخدام اختراعه الخاص - مولد الرنين (ملف تسلا)، وكيف فعل ذلك موصوف بالتفصيل. كان تسلا قادرا على نقل التيار لمسافات طويلة جدا، ولكن إلى جانب الطريقة التي اقترحها تسلا، هناك طريقة أخرى - الحث. هذه الطريقة بالطبع ليست مخصصة لنقل التيار لمسافات طويلة.

لم تجد طريقة الحث تطبيقًا واسع النطاق في العلوم والتكنولوجيا بسبب الخسائر الكبيرة جدًا في التيار المضمن (تصل الخسائر إلى 60٪)، علاوة على ذلك، لا يمكن نقل تيار أكثر من 1 متر باستخدام هذه الطريقة (نظريًا بالطبع ، فمن الممكن، ولكن لا فائدة من ذلك بسبب تشتت المجال القوي).


جهاز هذا النقل بسيط للغاية - دائرتان، إحداهما متصلة بمولد عالي التردد (عدة كيلو هرتز). يمكن صنع جهاز مماثل بسهولة في المنزل، حيث يتم توصيل هزاز متعدد بسيط مصمم لـ 20-50 كيلو هرتز بمرحلة مكبر الصوت، ويتم توصيل دائرة تحتوي من 10 إلى 100 دورة بالأخيرة، والدائرة الثانية مماثلة للأولى. أهم ما في مبدأ الحث لنقل التيار هو أن الدوائر لا تحتوي على نواة مغناطيسية، أي أنها غير متصلة ببعضها البعض بأي شكل من الأشكال، وينتقل التيار عبر الهواء عن طريق الحث.


في الممارسة العملية، كما ذكر أعلاه، يتم استخدام هذه الطريقة نادرا جدا. مبدأ النقل هذا معروف منذ زمن طويل - منذ زمن مايكل فاراداي (200 عام بالفعل). وفي الوقت الحاضر، قررت شركة Nokia استخدام هذه الطريقة وأنشأت هاتفًا محمولًا مفهومًا لا يحتوي على منفذ شحن، ولم يتم إنتاج الهاتف بكميات كبيرة بعد، لكن المشترين سيحبون بالتأكيد مثل هذا الهاتف المحمول. تحتوي على دائرة استقبال مدمجة، ودائرة الإرسال مخفية في الحامل. كل شيء يعمل بكل بساطة - نضع الهاتف على الحامل ويتم شحن الهاتف.


ولكن هذه ليست كل مزايا الهاتف المعجزة. يمكن شحن الهاتف بطريقة أخرى. ومن المعروف أن محطات التلفزيون والراديو تقوم بتعديل موجات الراديو، ويقوم الهاتف بتجميعها بجهاز استقبال وتحويلها إلى تيار يقوم بشحن الهاتف. بدأ استخدام هذا المبدأ ومبدأ نقل التيار الحثي من قبل الشركات المصنعة الأخرى. الهواتف المحمولةوأجهزة الكمبيوتر المحمولة، والآن أصبح من الممكن العثور على مثل هذه الأجهزة المعجزة في السوق.

ناقش مقالة نقل التيار بدون أسلاك بطريقة الحث

هذا دائرة بسيطةوالتي يمكنها تشغيل المصباح الكهربائي دون أي أسلاك، على مسافة 2.5 سم تقريبًا! تعمل هذه الدائرة كمحول معزز وكجهاز إرسال واستقبال لاسلكي للطاقة. إنه سهل الصنع للغاية ويمكن استخدامه إذا تم تحسينه بطرق مختلفة. لذلك دعونا نبدأ!

الخطوة 1. المواد المطلوبةوالأدوات.

  1. الترانزستور NPN. لقد استخدمت 2N3904، ولكن يمكنك استخدام أي ترانزستور NPN، على سبيل المثال، BC337، BC547، إلخ. (سيعمل أي ترانزستور PNP، فقط تأكد من الحفاظ على قطبية التوصيلات).
  2. لف أو سلك معزول. يجب أن يكون حوالي 3-4 أمتار من الأسلاك كافيًا (لف الأسلاك، فقط الأسلاك النحاسيةمع عزل المينا رقيقة جدا). ستعمل الأسلاك من معظم الأجهزة الإلكترونية مثل المحولات ومكبرات الصوت والمحركات الكهربائية والمرحلات وما إلى ذلك.
  3. المقاوم بمقاومة 1 كيلو أوم. سيتم استخدام هذا المقاوم لحماية الترانزستور من الاحتراق في حالة التحميل الزائد أو ارتفاع درجة الحرارة. يمكنك استخدام قيم مقاومة أعلى تصل إلى 4-5 كيلو أوم. يمكنك حذف المقاوم، لكنك تخاطر باستنزاف البطارية بشكل أسرع.
  4. قاد لقد استخدمت مصباح LED أبيض فائق السطوع مقاس 2 مم. يمكنك استخدام أي LED. في الواقع، الغرض من LED هنا هو فقط إظهار وظائف الدائرة.
  5. بطارية بحجم AA بجهد 1.5 فولت. (لا تستخدم بطاريات الجهد العالي إلا إذا كنت تريد إتلاف الترانزستور.)

الأدوات المطلوبة:

1) مقص أو سكين.

2) لحام الحديد (اختياري). إذا لم يكن لديك مكواة لحام، يمكنك ببساطة لف الأسلاك. فعلت هذا عندما لم يكن لدي مكواة لحام. إذا كنت تريد تجربة دائرة بدون لحام، فهذا موضع ترحيب.

3) ولاعة (اختياري). سوف نستخدم ولاعة لحرق المادة العازلة الموجودة على السلك ثم نستخدم المقص أو السكين لكشط أي مادة عازلة متبقية.

الخطوة الثانية: شاهد الفيديو لتتعلم كيفية القيام بذلك

الخطوة 3: مراجعة موجزة لجميع الخطوات.

لذا عليك أولاً أن تأخذ الأسلاك وتصنع ملفًا عن طريق لف 30 دورة حول جسم أسطواني مستدير. دعونا نسمي هذا الملف A. باستخدام نفس الجسم المستدير، نبدأ في صنع ملف ثانٍ. بعد لف المنعطف الخامس عشر، قم بإنشاء فرع على شكل حلقة من السلك ثم قم بلف 15 دورة أخرى على الملف. إذن لديك الآن ملف ذو طرفين وفرع واحد. دعنا نسمي هذا الملف B. اربط العقد في نهايات الأسلاك حتى لا تتفكك من تلقاء نفسها. احرق المادة العازلة على أطراف الأسلاك وعلى الصنبور الموجود على كلا الملفين. يمكنك أيضًا استخدام مقص أو متجرد. تأكد من أن أقطار وعدد لفات كلا الملفين متساويان!

إنشاء جهاز إرسال: خذ الترانزستور وضعه بحيث يكون الجانب المسطح مواجهًا للأعلى ومواجهًا لك. سيتم توصيل الدبوس الموجود على اليسار بالباعث، وسيكون الدبوس الأوسط هو الدبوس الأساسي، وسيتم توصيل الدبوس الموجود على اليمين بالمجمع. خذ مقاومة وقم بتوصيل أحد طرفيها بالطرف الأساسي للترانزستور. خذ الطرف الآخر من المقاوم وقم بتوصيله بأحد طرفي الملف B (وليس الصنبور). خذ الطرف الآخر من الملف B وقم بتوصيله بمجمع الترانزستور. إذا أردت، يمكنك توصيل قطعة صغيرة من السلك بباعث الترانزستور (سيعمل كامتداد للباعث).

قم بإعداد جهاز الاستقبال. لإنشاء جهاز استقبال، خذ الملف A وقم بتوصيل أطرافه بالمنافذ المختلفة لمصباح LED الخاص بك.

لقد أكملت الرسم التخطيطي!

الخطوة 4: مخطط الدائرة.

هنا نرى رسم تخطيطياتصالنا. إذا كنت لا تعرف بعض الرموز الموجودة في الرسم البياني، فلا تقلق. الصور التالية تظهر كل شيء.

الخطوة 5: رسم اتصالات الدائرة.

نرى هنا رسمًا توضيحيًا لوصلات دائرتنا.

الخطوة 6. استخدام الرسم التخطيطي.

ما عليك سوى أخذ الملف B وتوصيله بالطرف الموجب للبطارية. قم بتوصيل الطرف السالب للبطارية بباعث الترانزستور. الآن، إذا قمت بتحريك ملف LED بالقرب من الملف B، فسيضيء مؤشر LED!

الخطوة 7: كيف يتم تفسير ذلك علميا؟

(سأحاول فقط شرح العلم وراء هذه الظاهرة بكلمات بسيطةوالقياسات، وأنا أعلم أنني يمكن أن أكون مخطئا. من أجل شرح هذه الظاهرة بشكل صحيح، سيتعين علي الخوض في كل التفاصيل، وهو ما لا أستطيع القيام به، لذلك أريد فقط إجراء تشبيهات عامة لشرح الدائرة).

دائرة الإرسال التي أنشأناها للتو هي دائرة مذبذب. ربما تكون قد سمعت عما يسمى بدائرة Joule Thief، ولكنها تحمل تشابهًا مذهلاً مع الدائرة التي أنشأناها. تقبل دائرة Joule Thief الكهرباء من بطارية 1.5 فولت، وتخرج الكهرباء بجهد أعلى، ولكن مع وجود آلاف الفواصل الزمنية بينهما. يحتاج مصباح LED إلى 3 فولت فقط ليضيء، لكن في هذه الدائرة يمكن أن يضيء بسهولة باستخدام بطارية 1.5 فولت. لذا فإن دائرة Joule Thief تُعرف بمحول تعزيز الجهد، بالإضافة إلى كونها باعثًا. الدائرة التي أنشأناها هي أيضًا باعث ومحول يزيد الجهد. ولكن قد يطرح السؤال: "كيف تضيء مصباح LED من مسافة بعيدة؟" يحدث هذا بسبب الحث. لهذا يمكنك، على سبيل المثال، استخدام المحول. المحول القياسي له قلب على كلا الجانبين. افترض أن السلك الموجود على جانبي المحول متساوي في الحجم. عندما يمر تيار كهربائي عبر ملف واحد، تصبح ملفات المحولات مغناطيسات كهربائية. إذا كان التيار المتردد يتدفق عبر الملف، فإن الجهد يتأرجح على طول الشكل الجيبي. لذلك، عندما يتدفق التيار المتردد عبر الملف، يكتسب السلك خصائص المغناطيس الكهربائي، ثم يفقد الكهرومغناطيسية مرة أخرى عندما ينخفض ​​الجهد. يتحول ملف السلك إلى مغناطيس كهربائي ثم يفقد خواصه الكهرومغناطيسية بنفس السرعة التي يتحرك بها المغناطيس خارج الملف الثاني. عندما يتحرك المغناطيس بسرعة عبر ملف من الأسلاك، يتم توليد الكهرباء، وبالتالي فإن الجهد المتذبذب لملف واحد على المحول يحفز الكهرباء في الملف الآخر من السلك، ويتم نقل الكهرباء من ملف إلى آخر بدون أسلاك. في دائرتنا، قلب الملف هو الهواء ويمر جهد التيار المتردد عبر الملف الأول، وبالتالي يتولد جهد في الملف الثاني ويضيء المصابيح!!

الخطوة 8. الفوائد ونصائح للتحسين.

لذا في دائرتنا استخدمنا ببساطة مؤشر LED لإظهار تأثير الدائرة. ولكن يمكننا أن نفعل المزيد! تستقبل دائرة الاستقبال الكهرباء من التيار المتردد، لذا يمكننا استخدامها للإضاءة مصابيح الفلورسنت! يمكنك أيضًا استخدام دائرتنا لعمل حيل مثيرة للاهتمام وهدايا مضحكة وما إلى ذلك. ولتحقيق أقصى قدر من النتائج، يمكنك تجربة قطر الملفات وعدد اللفات على الملفات. يمكنك أيضًا تجربة جعل الملفات مسطحة ورؤية ما سيحدث! الاحتمالات لا حصر لها!!

الخطوة 9. أسباب عدم عمل الدائرة.

ما هي المشاكل التي قد تواجهها وكيفية حلها:

  1. الترانزستور أصبح ساخنًا جدًا!

الحل: هل استخدمت مقاومًا بالمعلمات المطلوبة؟ لم أستخدم المقاوم في المرة الأولى وكان الترانزستور مدخنًا. إذا لم ينجح ذلك، فحاول استخدام الانكماش الحراري أو استخدام ترانزستور عالي الجودة.

  1. الصمام لا يضيء!

الحل: يمكن أن يكون هناك العديد من الأسباب. أولا، تحقق من جميع الاتصالات. لقد قمت بطريق الخطأ بتغيير القاعدة والمشعب في اتصالي وأصبحت مشكلة كبيرة بالنسبة لي. لذلك، تحقق من جميع الاتصالات أولا. إذا كان لديك جهاز مثل المتر المتعدد، فيمكنك استخدامه للتحقق من جميع الاتصالات. تأكد أيضًا من أن كلا الملفين لهما نفس القطر. تحقق مما إذا كان هناك دائرة كهربائية قصيرة في شبكتك.

لست على علم بأي مشاكل أخرى. ولكن إذا واجهتهم، اسمحوا لي أن أعرف! سأحاول المساعدة بقدر ما أستطيع. بالإضافة إلى ذلك، أنا طالب في الصف التاسع في المدرسة و المعرفة العلميةمحدودة للغاية، لذا إذا وجدت أي أخطاء في عملي، فيرجى إبلاغي بذلك. اقتراحات للتحسين هي أكثر من موضع ترحيب. حظا سعيدا في مشروعك!

عرفت الكهرباء اللاسلكية منذ عام 1831، عندما اكتشف مايكل فاراداي ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي. لقد أثبت تجريبيًا أن المجال المغناطيسي المتغير الناتج عن تيار كهربائي يمكن أن يحفز تيارًا كهربائيًا في موصل آخر. تم إجراء العديد من التجارب التي بفضلها ظهر أول محول كهربائي. ومع ذلك، فإن نيكولا تيسلا هو الوحيد الذي تمكن من ترجمة فكرة نقل الكهرباء عبر مسافة إلى تطبيق عملي بشكل كامل.

وفي معرض شيكاغو العالمي عام 1893، أظهر النقل اللاسلكي للكهرباء عن طريق إضاءة مصابيح الفوسفور التي كانت متباعدة. أظهر تسلا العديد من الاختلافات في نقل الكهرباء بدون أسلاك، وحلم أن هذه التكنولوجيا ستسمح في المستقبل للناس بنقل الطاقة لمسافات طويلة في الغلاف الجوي. ولكن في هذا الوقت تبين أن اختراع العالم هذا لم يطالب به أحد. وبعد قرن من الزمان فقط، أصبحت إنتل وسوني، ومن ثم شركات أخرى، مهتمة بتقنيات نيكولا تيسلا.

كيف يعمل هذا

الكهرباء اللاسلكية تمثل حرفيا النقل الطاقة الكهربائيةبدون أسلاك. غالبًا ما تتم مقارنة هذه التقنية بنقل المعلومات، على سبيل المثال، باستخدام شبكة Wi-Fi، الهواتف المحمولةوالراديو. تعد الكهرباء اللاسلكية تقنية جديدة نسبيًا ومتطورة ديناميكيًا. اليوم، يتم تطوير طرق لنقل الطاقة بأمان وكفاءة عبر مسافة دون انقطاع.

تعتمد هذه التقنية على المغناطيسية والكهرومغناطيسية وتعتمد على عدد من مبادئ التشغيل البسيطة. بادئ ذي بدء، يتعلق هذا بوجود ملفين في النظام.

  • يتكون النظام من جهاز إرسال وجهاز استقبال يعملان معًا على توليد مجال مغناطيسي متناوب للتيار غير المباشر.
  • يولّد هذا المجال جهدًا كهربائيًا في ملف جهاز الاستقبال، على سبيل المثال، لشحن بطارية أو تشغيل جهاز محمول.
  • عند إرسال تيار كهربائي عبر سلك، يظهر مجال مغناطيسي دائري حول الكابل.
  • في ملف من الأسلاك لا يستقبل تيارًا كهربائيًا مباشرًا، سيبدأ التيار الكهربائي بالتدفق من الملف الأول عبر المجال المغناطيسي، بما في ذلك الملف الثاني، مما يوفر اقترانًا حثيًا.
مبادئ النقل

حتى وقت قريب، كان نظام الرنين المغناطيسي CMRS، الذي تم إنشاؤه في عام 2007 في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، يعتبر التكنولوجيا الأكثر تقدما لنقل الكهرباء. ضمنت هذه التقنية نقل التيار لمسافة تصل إلى 2.1 متر. ومع ذلك، فإن بعض القيود حالت دون طرحها في الإنتاج الضخم، على سبيل المثال، تردد الإرسال العالي، أحجام كبيرة، تكوين الملف المعقد، كذلك حساسية عاليةللتدخل الخارجي، بما في ذلك وجود شخص.

ومع ذلك، قام علماء من كوريا الجنوبية بإنشاء جهاز إرسال كهربائي جديد يمكنه نقل الطاقة إلى مسافة تصل إلى 5 أمتار. وسيتم تشغيل جميع الأجهزة الموجودة في الغرفة بواسطة محور واحد. نظام الرنين لملفات DCRS ثنائية القطب قادر على العمل حتى 5 أمتار. لا يحتوي النظام على عدد من عيوب CMRS، بما في ذلك استخدام ملفات مدمجة إلى حد ما بقياس 10x20x300 سم، والتي يمكن تركيبها بشكل غير ظاهر في جدران الشقة.

أتاحت التجربة الإرسال على تردد 20 كيلو هرتز:
  1. 209 وات عند 5 م؛
  2. 471 واط عند 4 م؛
  3. 1403 واط عند 3 م.

تتيح لك الكهرباء اللاسلكية تشغيل أجهزة تلفزيون LCD الكبيرة الحديثة التي تتطلب 40 وات على مسافة 5 أمتار. الشيء الوحيد الذي سيتم "ضخه" من الشبكة الكهربائية هو 400 واط، لكن لن تكون هناك أسلاك. يوفر الحث الكهرومغناطيسي كفاءة عالية، ولكن على مسافة قصيرة.

هناك تقنيات أخرى تسمح لك بنقل الكهرباء لاسلكيًا. وأكثرها واعدة هي:
  • إشعاع الليزر . يوفر أمان الشبكة بالإضافة إلى نطاق أكبر. ومع ذلك، يلزم وجود خط رؤية بين جهاز الاستقبال والمرسل. لقد تم بالفعل إنشاء منشآت العمل التي تستخدم الطاقة من شعاع الليزر. قامت شركة لوكهيد مارتن الأمريكية المصنعة للمعدات والطائرات العسكرية باختبار الطائرة بدون طيار Stalker، التي تعمل بشعاع الليزر وتبقى في الهواء لمدة 48 ساعة.
  • إشعاع الميكروويف . يوفر مدى طويلًا، لكن تكلفة المعدات مرتفعة. يتم استخدام هوائي الراديو كجهاز إرسال للكهرباء، مما ينتج عنه إشعاع الموجات الدقيقة. يحتوي جهاز الاستقبال على هوائي مستقيم يحول إشعاع الميكروويف المستقبل إلى تيار كهربائي.

تتيح هذه التقنية إمكانية إبعاد جهاز الاستقبال عن جهاز الإرسال بشكل كبير، ولا توجد حاجة مباشرة إلى خط رؤية. ولكن مع زيادة النطاق، تزيد تكلفة وحجم المعدات بشكل متناسب. وفي الوقت نفسه، إشعاع الميكروويف قوة عاليةقد يكون الناتج عن التثبيت ضارًا بالبيئة.

الخصائص
  • وأكثر التقنيات واقعية هي الكهرباء اللاسلكية القائمة على الحث الكهرومغناطيسي. ولكن هناك قيود. ويجري العمل على توسيع نطاق هذه التكنولوجيا، ولكن تنشأ هنا قضايا تتعلق بالسلامة الصحية.
  • سوف تتطور أيضًا تقنيات نقل الكهرباء باستخدام إشعاع الموجات فوق الصوتية والليزر والميكروويف وستجد أيضًا مجالاتها المناسبة.
  • الأقمار الصناعية التي تدور حولها ضخمة الألواح الشمسيةوفي حاجة إلى نهج مختلف، ستكون هناك حاجة إلى نقل مستهدف للكهرباء. الليزر والميكروويف مناسبان هنا. لا يوجد حاليًا حل مثالي، ولكن هناك العديد من الخيارات بإيجابياتها وسلبياتها.
  • في الوقت الحالي، انضمت أكبر الشركات المصنعة لمعدات الاتصالات معًا لتشكيل اتحاد الطاقة الكهرومغناطيسية اللاسلكية بهدف إنشاء معيار عالمي للاتصالات اللاسلكية. شواحنوالتي تعمل على مبدأ الحث الكهرومغناطيسي. من بين الشركات المصنعة الكبرى، يتم توفير الدعم لمعيار QI على عدد من موديلاتها بواسطة Sony وSamsung وNokia وMotorola Mobility وLG Electronics وHuawei وHTC. سيصبح QI قريبًا معيارًا موحدًا لأي من هذه الأجهزة. بفضل هذا، سيكون من الممكن إنشاء مناطق شحن لاسلكية للأدوات الذكية في المقاهي ومراكز النقل والأماكن العامة الأخرى.

طلب

  • هليكوبتر الميكروويف. كان لنموذج المروحية هوائي مستقيم وارتفع إلى ارتفاع 15 مترًا.
  • يتم استخدام الكهرباء اللاسلكية لتشغيل فرشاة الأسنان الكهربائية. فرشاة الأسنانالغلاف مغلق تمامًا ولا يحتوي على موصلات، مما يتجنب الصدمات الكهربائية.
  • تشغيل الطائرات باستخدام الليزر.
  • أنظمة الشحن اللاسلكي متاحة للبيع الآن الأجهزة المحمولةالتي يمكن استخدامها كل يوم. إنهم يعملون على أساس الحث الكهرومغناطيسي.
  • لوحة شحن عالمية. أنها توفر الطاقة معظمموديلات الهواتف الذكية الشائعة غير المزودة بوحدة شحن لاسلكية، بما في ذلك الهواتف العادية. بالإضافة إلى لوحة الشحن نفسها، ستحتاج إلى شراء علبة جهاز استقبال للأداة. يتصل بالهاتف الذكي عبر منفذ USB ويتم شحنه من خلاله.
  • حاليًا، يُباع في السوق العالمية أكثر من 150 جهازًا يصل إلى 5 وات يدعم معيار QI. سوف تظهر المعدات في المستقبل قوة متوسطةما يصل إلى 120 واط.
الآفاق

واليوم يجري العمل على مشاريع كبيرة تستخدم الكهرباء اللاسلكية. هذا هو مصدر الطاقة للسيارات الكهربائية "عن طريق الهواء" والشبكات الكهربائية المنزلية:

  • ستتيح الشبكة الكثيفة من نقاط شحن السيارات تقليل البطاريات وتقليل تكلفة السيارات الكهربائية بشكل كبير.
  • سيتم تركيب مصادر الطاقة في كل غرفة، والتي ستنقل الكهرباء إلى أجهزة الصوت والفيديو والأدوات والأجهزة المنزلية المجهزة بالمحولات المناسبة.
المزايا والعيوب
تتمتع الكهرباء اللاسلكية بالمزايا التالية:
  • لا حاجة لإمدادات الطاقة.
  • الغياب التام للأسلاك.
  • القضاء على الحاجة للبطاريات.
  • صيانة أقل مطلوبة.
  • آفاق ضخمة.
تشمل العيوب أيضًا:
  • عدم كفاية التطور التكنولوجي.
  • محدودة بالمسافة.
  • المجالات المغناطيسية ليست آمنة تمامًا للبشر.
  • ارتفاع تكلفة المعدات.


نوصي بالقراءة