Розробка - "Демонстрація бездротової передачі енергії"

                  Демонстрація бездротової передачі енергії 

    В природі є багато прикладів передачі енергії на відстань.   Це перед усім - енергія, отримана від Сонця у вигляді тепла та світла. Ця енергія значною мірою є основою життя на нашій планеті та керує кліматом та погодою. У верхні шари атмосфери Землі постійно надходить 174 PW (петават) сонячного випромінювання [дані з Інтернету (1)]. 

Кількість сонячної енергії, яка досягає поверхні землі така велика, що за рік вона приблизно вдвічі перевершить всю енергію, яку можна виробити зі всіх невідновлюваних джерел: вугілля, нафти, уранових руд, що накопичилось протягом мільйонів років.

 Енергію Сонця можна використовувати, як джерело електроенергії і тепла. Для цього створюють пристрої, які концентрують енергію Сонця на малих площах і в малих обсягах. Сонячні технології використовують - сонячні колектори, сонячні батареї, щоб перетворити сонячне випромінювання в тепло, або електричну енергію. 

Приклад передачі енергії променем лазеру було наведено в статті «Телеуправління за допомогою лазеру» (1), де описано дослід в якому від променя лазеру спрямованого на фотодіод ФД263 на відстані 30 м спрацьовувало реле магнітоелектричної  системи типу М219/6. Таким чином концентрованим променем була передана певна енергія, яка привела до спрацьовування реле. Для демонстрації передачі енергії за допомогою світла досить використати фотодіод, мікроамперметр на 100 мкА і лампу розжарення на 12 В, 40 Вт (автомобільна) з проводами для підключення живлення. Зібравши просту схему, приведену на рис. 1 – підключаємо електролампу розжарення до блока живлення, або акумулятора на 12 В і встановлюємо її на відстані 30…40 см від фотодіода. Світлова енергія за допомогою фотодіода  перетворюється в електричну, а електрична – в  механічну і стрілка магнітоелектричного приладу РА1 відхиляється.  

  Щоб світло від електролампи не попадало в очі – електролампу слід помістити в металевий рупор. На відстані 50 см від електролампи розжарення прилад показує на поділці 28 по шкалі на 30. Демонстрація перетворення світлової енергії в електричну і електричної в механічну показано на фото 1. В принципі, можливо використати мікроамперметр і іншого типу: М906, М2027, М2000, М93 на 50, або 100 мкА.

   Фото 1

    Крім передачі енергії на відстань світловими променями давно передають енергію електромагнітними хвилями. Прикладом цього є радіозв’язок, телебачення, мобільний зв’язок. Цікавий історичний факт, що в Австрії був судовий розгляд крадіжки електромагнітної енергії радіохвиль. Жителі селища зробили собі безкоштовне освітлення за рахунок «відсмоктування» енергії радіохвиль. Технічно це робили досить просто: довга антена, заземлення і коливальний контур, налаштований на частоту радіостанції; цієї енергії цілком було досить для світіння електроламп розжарення. Управління радіостанції взнало про це і подало в суд на «злодіїв» радіоенергії. Коливальні контури були вилучені в жителів селища і передані в суд як речові докази. Прокурор стверджував, що коливальний контур є знаряддя крадіжки.

 В 1884 році Нікола Тела в Парижі створив свою першу діючу модель індукційного генератора змінного струму.

  В наш час  є варіанти зарядки акумуляторів смартфонів,  яких немає необхідності підключати до зарядного пристрою дротами, а досить поставити зверху на зарядний пристрій, який може знаходитись, як в приміщенні, так і в автомобілі. Це давно відомі смартфони: «Highscreen», «Wigor V5» та багато інших типів.

Є розробки  електромобілів, які не підключаються для зарядки проводами, а заряджаються дистанційно. На практиці це досить просто – автомобіль припарковується і за допомоги індуктивної зарядки, електромагнітні хвилі через повітряний зазор від однієї магнітної котушки в зарядному пристрої поступають до другої мангнітної котушки, встановленої в автомобілі. Виявити точність встановлення котушок приймальної навпроти передавальної; можливо по показникам максимального зарядного струму в автомобілі. При зсуві котушок (приймальної, відносно передавальної) заряд також буде проходити, але зарядний струм в такій ситуації буде менший. 

Провідними фірмами світу розробляється також система з зарядними пристроями, вбудованими в поверхню дороги. Зарядка автомобіля буде проходити під час руху автомобіля. 

Можливо також зробити керування моделями індукційним методом на площі з радіусом 5…10 м.

   Явище електромагнітної індукції можливо також демонструвати за допомогою простого пристрою.  

   Для демонстрації електромагнітної індукції виготовлено генератор ультразвукової частоти по принциповій схемі приведеній на рис. 2. Як видно з схеми, генератор зібраний по схемі мультивібратора на потужних транзисторах КТ808А. Транзистори необхідно встановити на радіатори з S= 50 см², або на загальному радіаторі з S= 100 см²; з використанням слюдяних пластин, при установці транзисторів на радіатор. Котушки L1, L2 намотані внавал в два провода одночасно і мають по 60 витків провода ПЭВ-2 ø 0,5 мм навколо феритового кільця. Таким чином феритове кільце знаходиться всередині котушок L1, L2. Зовнішній діаметр кільця 20 мм, внутрішній 10 мм і висота 8 мм (типорозмір R20 × 10 × 8). Кільце має проникність  2000 НМ. В принципі, феритове кільце може бути і інших розмірів. Виготовити такий генератор зовсім не складно, схема має всього чотири резистора, два конденсатори і два транзистора.    Обмотки котушок L1, L2 необхідно з’єднати послідовно і згідно.Живиться генератор напругою ±12 В від блока живлення, або акумулятора і споживає струм 450 мА. 

      Схема приймача приведена на рис. 3. Якщо котушку приймача розмістити над котушкою генератора і подати живлення  на генератор, то в котушці приймача в результаті індукції буде наводитись змінна напруга, яка поступає на місткову схему випрямляча на германієвих діодах VD1…VD4 типу Д9Б і в результаті отримаємо постійну напругу. Конденсатор С1 для згладжування пульсацій після випрямлення. Котушка приймача L1 намотана навколо тороїдального феритового кільця з такими ж розмірами як для генератора.

Котушка L1 має 300 витків провода ПЭВ-2 ø 0,23 мм.

                          Фото 3

  Продемонструвати передачу енергії за допомогою індукції зовсім не складно, виготовивши передавач і приймач електромагнітних хвиль

Для демонстрації передачі енергії за допомогою індукції необхідно котушки в генераторі і приймачі виготовити більших розмірів, ніж в досліді, описаному вище.

   Для демонстрації передачі енергії за допомогою індукції виготовлено генератор ультразвукової частоти по принциповій схемі приведеній на рис. 4.

     Як видно з схеми, генератор зібраний по схемі мультивібратора на потужних транзисторах КТ808А. Транзистори необхідно встановити на радіатори з S= 50 см², або на загальному радіаторі з S= 100 см²; з використанням слюдяних пластин, при установці транзисторів на радіатор. Котушки L1, L2 намотані внавал в два провода одночасно і мають по 30 витків провода ПЭВ-2 ø 1,5 мм навколо феритового кільця. Таким чином феритове кільце знаходиться всередині котушок L1, L2. Зовнішній діаметр кільця 125 мм, внутрішній 80 мм і висота 12 мм (типорозмір R125 × 80 × 12). Кільце має проникність  2000 НМ. В принципі, феритове кільце може бути і інших розмірів -  R87 × 54,3 × 15; R102 × 65,8 × 15; R140 × 103 × 25. При необхідності  кільце можна зробити і самому. Для цього необхідно розтовкти чотири феритових сердечників від трансформаторів ТВС і добавивши до порошку клею БФ-2 залити суміш в тороїдальну паперову форму. Виготовити такий генератор зовсім не складно, схема має всього чотири резистора, два конденсатори і два транзистора.    

Обмотки котушок L1, L2 необхідно з’єднати послідовно і згідно.

Живиться генератор напругою ±12 В від блока живлення, або акумулятора і споживає струм 400 мА. В принципі можливо на генератор подати  напругу ±15 В; ±18 В; ±24 В, при цьому потужність буде значно більшою, але робити це не обов’язково -  при напрузі живлення ±12 В дослід є показовим. 

   Схема приймача приведена на рис. 5.

стрічкою з тканини. До котушки приймача прив’язано три нитки, які в верхній частині сходяться на одному пластмасовому кільці – для утримування приймача на певній висоті.

                                      Фото 4

                                      Фото 5

                                 Фото 6  

Література: 

1.  https://uk.wikipedia.org/wiki/Сонячна_енергія). 

2.  Дмитро Бабин, Саморобні прилади з фізики - доповнення,                                       Демонстрація бездротової передачі енергії,Інтернет                      https://radioelectronics-ur5ydn.jimdofree.com/  

Автор: Бабин Дмитро Святославович