Практическая работа "Электромагнитная индукция"
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
средняя общеобразовательная школа рабочего поселка
(поселка городского типа) Ерофей Павлович
\
Практическая работа
«Электромагнитная индукция»
Выполнил:
Климчук Артур
ученик 10 класса
Руководитель:
Мансурова Л.З.
учитель физики
Ерофей Павлович -2022г
Содержание
Введение ......................................................................................................... 3
Глава I. Технологии беспроводной передачи энергии .............................. 4
1.1.
Ультразвуковой способ… ...................................................................... 4
1.2.
Метод электромагнитной индукции… ................................................. 5
1.3.
Микроволновое излучение… ............................................................... 6
1.4.
Лазерный метод… .................................................................................. 6
Глава II. Трансформатор Тесла… ................................................................ 8
Глава III. Разработка простейшей модели устройства для передачи
электричества без проводов… ................................................................... 11
Заключение… .............................................................................................. 12
Список литературы… ................................................................................. 13
Приложение ................................................................................................. 14
Введение
Актуальность. Трудно сейчас представить нашу жизнь без электричества. С
использованием электричества осуществляется обустройство жилищ, на
электричестве работают некоторые виды транспорта, от электричества зависит
любое производство. Главный недостаток электричества – использование для
его передачи проводов и различных линий электропередач. Если бы была
возможность передачи электричества по воздуху, то многие бы проблемы были
решены. Эксперты утверждают, что через некоторое время беспроводная
передача электроэнергии прочно войдет в нашу жизнь. Беспроводная зарядка
телефона или ноутбука станет обычной вещью и все свои мобильные
устройства мы будем заряжать с помощью электроэнергии передающейся по
воздуху или каким-либо другим удобным высокотехнологичным способом. В
течение последних нескольких лет в этом направлении ведутся активные
исследования, и сейчас первые устройства, позволяющие работать технике без
проводов, уже доступны в продаже, это беспроводные зубные щетки, наушники,
зарядки для телефонов.
Цель: исследование возможности передачи энергии беспроводным способом.
Задачи:
1. Изучить литературу и Интернет источники по данной теме.
2. Выяснить, какие физические явления лежат в основе беспроводной передачи
электричества.
3. Собрать устройство для беспроводной передачи электричества.
Объект исследования: электрическая энергия.
Предмет исследования: процесс беспроводной передачи электричества.
Гипотеза: передача электричества возможна беспроводным путем.
Методы исследования: изучение литературы по выбранной теме, наблюдение,
проведение исследовательского эксперимента.
Глава I. Технологии беспроводной передачи энергии
Беспроводная передача энергии может быть реализована при помощи
различных технологий, основанных на свойствах электромагнитных полей.
Существует несколько технологий беспроводной передачи электричества:
применение ультразвука, электромагнитной индукции, использование
микроволн и лазера.
1.1.
Ультразвуковой способ
Ультразвуковой способ передачи энергии изобретён студентами университета
Пенсильвании и впервые представлен в 2011 году. Как и в других способах
беспроводной передачи чего-либо, использовался приёмник и передатчик.
Передатчик излучал ультразвук, приёмник, в свою очередь, преобразовывал
слышимое в электричество. Так как способ относительно новый, конкретных
цифр мало:
• расстояние передачи достигает 7-10 метров;
• о необходимости прямой видимости приёмника и передатчика информация
разнится в различных источниках. Но по логике она не очень нужна – стены
прекрасно проводят ультразвук;
• передаваемое напряжение — до 8 Вольт;
• используемые ультразвуковые частоты никак не действуют на человека.
Почему стоит обратить внимание на эту технологию? Потому что, в отличие от
других, здесь не используются электромагнитные явления, и потому будет
меньше радиошума. То есть нет опасности того, что зарядное устройство будет
мешать обмениваться информацией между датчиками и устройствами.
Данная технология уже
используется на практике
компанией uBeam, которая
представила свою
беспроводную зарядку для
различных устройств [4].
1.2.
Метод электромагнитной индукции
При беспроводной передаче энергии методом электромагнитной
индукции переменный электрический ток, протекающий через первичную
обмотку, создаёт переменное магнитное поле, которое действует на вторичную
обмотку, индуцируя в ней электрический ток. Для достижения высокой
эффективности взаимодействие должно быть достаточно тесным. По мере
удаления вторичной обмотки от первичной, всё большая часть магнитного поля
не достигает вторичной обмотки. Даже на относительно небольших расстояниях
индуктивная связь становится крайне неэффективной, расходуя большую часть
передаваемой энергии впустую.
Электрический трансформатор является простейшим устройством для
беспроводной передачи энергии. Первичная и вторичная обмотки
трансформатора прямо не связаны. Передача энергии осуществляется
посредством процесса, известного как взаимная индукция. Основной функцией
трансформатора является увеличение или уменьшение первичного напряжения.
Бесконтактные зарядные устройства мобильных телефонов и электрических
зубных щёток являются примерами использования принципа электромагнитной
индукции. В техническом плане беспроводная зарядка представлена двумя
катушками из меди. Одна играет роль передатчика энергии, которую получает
из электрической сети. Устанавливается катушка в док-станцию (площадку, на
которую впоследствии кладется смартфон). Вторая катушка – приемник. Ею
оснащаются устройства, которым необходима энергия, например мобильные
телефоны. Как правило, приемник скрыт от глаз внутри корпуса, если он только
не внешний [2]. Энергию аккумулятор устройства получает благодаря
магнитному полю, которое возникает, когда приемник оказывается в поле
действия передатчика (Приложение 1, рисунок 1).
Индукционные плиты также используют этот метод. Основным недостатком
метода беспроводной передачи является крайне небольшое расстояние его
действия. Приёмник должен находиться в непосредственной близости к
передатчику для того, чтобы эффективно с ним взаимодействовать.
1.3.
Микроволновое излучение
Радиоволновую передачу энергии можно сделать более направленной,
значительно увеличив расстояние эффективной передачи энергии путём
уменьшения длины волны электромагнитного излучения, как правило, до
микроволнового диапазона. Для обратного преобразования микроволновой
энергии в электричество может быть использовано устройство, представляющее
собой нелинейную антенну, предназначенную для преобразования энергии поля
падающей на неё волны в энергию постоянного тока. Простейшим вариантом
конструкции может быть полуволновый вибратор, между плечами которого
устанавливается устройство с односторонней проводимостью, например, диод,
эффективность преобразования энергии которой превышает 95 %. Данный
способ был предложен для передачи энергии с орбитальных солнечных
электростанций на Землю и питания космических кораблей, покидающих
земную орбиту.
В 1945 году советский учёный Семён Тетельбаум опубликовал статью, в
которой впервые рассматривал эффективность микроволновой линии для
беспроводной передачи электроэнергии. После Второй мировой войны, когда
началось развитие мощных СВЧ-излучателей, известных под
названием магнетрон, идея использования микроволн для передачи энергии
была развита. В 1964 году был продемонстрирован миниатюрный вертолёт, к
которому энергия передавалась с помощью СВЧ-излучения.
1.4.
Лазерный метод
В том случае, если длина волны электромагнитного излучения приближается к
видимой области спектра (от 10 мкм до 10 нм), энергию можно передать путём
её преобразования в луч лазера, который затем может быть направлен на
фотоэлемент приёмника. Лазерная передача энергии по сравнению с другими
методами беспроводной передачи обладает рядом преимуществ:
• передача энергии на большие расстояния;
• отсутствие радиочастотных помех для существующих средств связи, таких, как
Wi-Fi и сотовые телефоны (лазер не создаёт таких помех);
• возможность контроля доступа (получить электроэнергию могут только
приёмники, освещённые лазерным лучом).
У данного метода есть и ряд недостатков:
• преобразование низкочастотного электромагнитного излучения в
высокочастотное, которым является свет, неэффективно. Преобразование света
обратно в электричество также неэффективно, так как КПД фотоэлементов
достигает 40-50 %, хотя эффективность преобразования монохроматического
света значительно выше, чем эффективность солнечных панелей;
• потери в атмосфере;
• необходимость прямой видимости между передатчиком и приёмником (как и
при микроволновой передаче).
Технология передачи мощности с помощью лазера ранее, в основном,
исследовалась при разработке новых систем вооружений и в аэрокосмической
промышленности, а в настоящее время разрабатывается для коммерческой и
потребительской электроники в маломощных устройствах. Системы
беспроводной передачи энергии с применением в потребительских целях
должны удовлетворять требованиям лазерной безопасности стандарта IEC
60825. Для лучшего понимания лазерных систем следует принимать во
внимание то, что распространение лазерного луча гораздо в меньшей степени
зависит от дифракционных ограничений, как пространственное и спектральное
согласование характеристик лазеров позволяют увеличить рабочую мощность и
дистанцию, как длина волны влияет на фокусировку.
Глава II. Трансформатор Тесла
12 сентября 2017 года компания Apple в рамках традиционной осенней
презентации своих новинок представила всему миру собственное беспроводное
зарядное устройство. Но данный гаджет не является революционным, первыми
из крупных мобильных компаний начали производить смартфоны с поддержкой
беспроводной зарядки Nokia и LG, еще в 2012 году. Разработки инженеров
Nokia, LG, Apple и других производителей гаджитов, связанные с беспроводной
передачей энергии, являются далеко не первыми в данной области. Одним из
первых о беспроводной передаче электричества задумался гениальный
изобретатель-электротехник Никола Тесла (Приложение 2, рисунок 2). Ведь еще
более ста лет назад на всемирной выставке, проходившей в Чикаго, Никола
Тесла продемонстрировал беспроводное освещение люминесцентными
лампами. Это вызвало взрыв исследований, целью которых было найти
наилучший способ передачи электроэнергии [1].
Трансформатор Тесла или знаменитая на весь мир катушка Тесла
представляет собой устройство, способное генерировать высокое напряжение
высокой частоты. Оно извергало молнии и заставляло
светиться люминесцентные лампы (Приложение 2, рисунок 3) . Катушка
Тесла была запатентована 22 сентября 1896 года как «Аппарат для производства
электрических токов высокой частоты». С помощью этого устройства он
пытался передавать электрическую энергию без проводов на большие
расстояния [3].
Простейший трансформатор Тесла
состоит из двух катушек — первичной
и вторичной, а также разрядника,
конденсаторов, тороида. Первичная
катушка обычно содержит несколько
витков провода большого диаметра
или медной трубки, а вторичная около
1000 витков провода меньшего
диаметра. Первичная катушка вместе
с конденсатором образует
колебательный контур, в который включён нелинейный элемент — разрядник.
Вторичная катушка также образует колебательный контур, где роль
конденсатора главным образом выполняют ёмкость тороида и собственная
ёмкость самой катушки. Вторичную обмотку часто покрывают слоем
эпоксидной смолы или лака для предотвращения электрического пробоя
(Приложение 2, рисунок 4).
Принцип работы таков: конденсатор заряжается от высоковольтного источника
питания, затем разряжается через искровой промежуток на первичную катушку.
На вторичную катушку передается часть энергии, и возникают резонансные
колебания, что приводит к возникновению на выходе высокого напряжения.
Таким образом, трансформатор Тесла представляет собой два связанных
колебательных контура, что и определяет его замечательные свойства и
является главным его отличием от обычных трансформаторов. После
достижения между электродами разрядника напряжения пробоя, в нём
возникает лавинообразный электрический пробой газа. Конденсатор
разряжается через разрядник на катушку. Поэтому цепь колебательного
контура, состоящего из первичной катушки и конденсатора, остаётся замкнутой
через разрядник, и в ней возникают высокочастотные колебания. Во вторичной
цепи возникают резонансные колебания, что приводит к появлению на
терминале высокого напряжения. Высокое напряжение в верхней части
вторичной обмотки приведёт к появлению впечатляющих разрядов в воздухе
(Приложение 2, рисунок 3).
Во всех типах трансформаторов Тесла основной элемент трансформатора —
первичный и вторичный контуры — остается неизменным. Однако одна из его
частей — генератор высокочастотных колебаний может иметь различную
конструкцию. Если к нему поднести катушку с медной проволокой, то на его
концах появится напряжение. А если поднести люминесцентные лампы, то они
загораются сами по себе. Это происходит из-за того, что вокруг катушки
образуется мощное магнитное поле.
Посредством передачи тока высокого напряжения высокой частоты ученый
мечтал обеспечить бесплатной электроэнергией любое здание, частный дом и
прочие объекты. Но, к сожалению, из-за большого потребления энергии и
низкой эффективности, широкого применения катушка Тесла так и не нашла. Не
смотря на это, радиолюбители из разных уголков планеты собирают небольшие
катушки Тесла для развлечений и экспериментов [5].
Глава III. Разработка простейшей модели устройства для передачи
электричества без проводов
Изучив схему трансформатора Тесла, я решил провести практический
эксперимент по созданию прибора, способного передавать электрическую
энергию без проводов [6].
Для работы понадобились:
-
медный провод небольшого диаметра длиной 20 м;
-
цилиндр диаметром 4 см;
-
батарейка;
-
транзистор КТ 801А;
-
светодиод.
Основная часть работы представляла собой создание трех специальных катушек
из медного провода. На первичную катушку необходимо подавать постоянный
ток, который во вторичной катушке будет генерировать электрические
импульсы. Для создания импульсов в первичной катушке используем источник
питания на 3 В, а также схемы электронного ключа на транзисторе. В результате
действия этих импульсов, припаянный к вторичной катушке светодиод, должен
светиться.
Для изготовления передатчика сначала мотаются катушки из 30 витков и 60
витков на цилиндрическом каркасе. Далее к одному концу катушки на 60 витков
подключается база транзистора. Коллектор транзистора подключается к концу
катушки на 30 витков передатчика. Затем подключаем питание – плюс ко
второму концу катушки на 30 витков, а минус к эмиттеру транзистора. Для
изготовления приёмника мотается катушка из 90 витков тем же проводом, к
концам которой припаивается светодиод.
В результате собранное устройство генерирует энергию, которая передается на
расстояние, что подтверждается свечением светодиода (Приложение 3, рисунок
6)
Заключение
Данное исследование и собранная работающая модель показали, что
возможность передачи электричества без проводов существует. Моя гипотеза
подтвердилась. Учитывая, что в данном опыте использовалась наиболее простая
и маломощная модель устройства беспроводной передачи электричества, есть
возможность совершенствования данной модели с использованием более
мощного транзистора для увеличения расстояния передачи энергии.
Сейчас уже можно с уверенностью утверждать, что технологии для передачи
электроэнергии на небольшие расстояния доросли до уровня, позволяющего
использовать их в серийно выпускаемых продуктах. Наиболее очевидные
преимущества перехода к использованию беспроводных зарядных устройств —
устранение спутанных в клубок проводов и адаптеров, оккупирующих все
свободные розетки. Подзаряжать все (или почти все) имеющиеся в доме
гаджеты можно будет от одного универсального устройства.
Источники:
1. Ларионов Д. В. Беспроводная передача энергии [Текст] // Молодой ученый. —
2018. — №44. — С. 39-41.
2. Магомедов Э. Макет устройства для передачи электрической энергии без
проводов [Текст] / Э. Магомедов, рук. Ю. В. Казакова // Физика. Первое
сентября. – 2013. - № 2. – С. 7-9.
3. Образцов П. А. Правда и ложь о великом изобретателе. [Текст] / П. Образцов. –
М.: Эксмо, 2009. – 283с.
4. Беспроводная передача энергии [электронный ресурс] / Режим
доступа: https://elquanta.ru/teoriya/besprovodnaya-peredacha-ehnergii.html
5. Катушка Тесла своими руками [электронный ресурс] / Режим
доступа: https://elektro.guru/osnovy-elektrotehniki/katushka-tesla-svoimi-
rukami.html
6. Делаем беспроводную передачу энергии [электронный ресурс] / Режим
доступа: https://usamodelkina.ru/4382-delaem-besprovodnuyu-peredachu-
elektroenergii.html
Приложение 1
Рис.1 Беспроводная зарядка
телефона
Приложение 2
Рис. 2 Никола Тесла
Рис.3 Высокое напряжение в верхней части вторичной обмотки приводит к
появлению впечатляющих разрядов в воздухе.
Рис. 4 Трансформатор
Тесла
Приложение 3
Рис. 5 Схема
устройства
Рис.6 Фотография модели созданного устройства
