无线电源的工作原理



大多数电动牙刷通过感应耦合进行充电。
除非您特别有条理并且擅长领带缠绕,否则您的家中可能会缠绕一些尘土飞扬的电源线。你甚至可能不得不沿着一根特定的绳索穿过看似不可能的咆哮到 出口,希望你拔的插头是正确的。这是电力的垮台之一。虽然它可以让人们的生活更轻松,但它会在此过程中增加很多混乱。
由于这些原因,科学家们试图开发 无线电力传输 这可以减少混乱或导致清洁的电力来源。虽然这个想法听起来很未来,但它并不是特别新。尼古拉·特斯拉在 1800 年代末和 1900 年代初提出了无线电力传输理论。他更壮观的展示之一涉及在他的科罗拉多斯普林斯实验站远程为地面上的灯供电。
特斯拉的工作令人印象深刻,但它并没有立即导致广泛、实用的无线电力传输方法。从那时起,研究人员开发了几种无需电线即可长距离传输电力的技术。有些只是作为理论或原型存在,但其他的已经在使用中。如果您有 电动牙刷,例如,您可能每天利用一种方法。
能量的无线传输在世界大部分地区都很常见。 无线电波 是能量,人们用它们来发送和接收 手机, 电视、收音机和 无线上网 每天都有信号。无线电波向各个方向传播,直到到达 天线 调谐到正确的频率。类似的电力传输方法既低效又危险。
例如,牙刷每天接触水会使传统的插入式充电器具有潜在的危险。普通的电气连接也可能使水渗入牙刷,损坏其组件。正因为如此,大多数牙刷都会通过 电感耦合.请参阅下一页,了解有关电感耦合工作原理的更多信息。
电感耦合

电动牙刷的底座和手柄包含线圈,允许电池充电。电感耦合使用磁场,磁场是电流通过导线运动的自然组成部分。每当电流通过导线时,它就会产生一个圆形 磁场 绕线。将导线弯曲成线圈会放大磁场。线圈产生的环越多,磁场就越大。
如果你在你创造的磁场中放置第二个线圈,这个磁场可以 诱导 导线中的电流。这本质上就是如何 变压器 工作,这就是电动牙刷的充电方式。它需要三个基本步骤:
来自墙壁插座的电流流过充电器内部的线圈,产生磁场。在变压器中,该线圈称为 初级绕组.
当您将牙刷放入充电器时,磁场会在另一个线圈中感应出电流,或者 次级绕组,连接到电池。
该电流为电池充电。
您可以使用相同的原理一次为多个设备充电。例如,Splashpower充电垫和爱迪生电气的Powerdesk都使用线圈来产生磁场。电子设备使用相应的内置或插入式接收器在垫子上休息时充电。这些接收器包含兼容的线圈和向设备电池供电所需的电路。

Splashpower 垫使用感应同时为多个设备充电。
© 版权飞溅力量 2006
一种较新的理论使用类似的设置来传输更长的距离的电力。我们将在下一节中介绍它是如何工作的。
谐振和无线电源

喇叭的大小、形状和材料成分决定了其共振频率。
照片由 股票.EXCHNG家用设备产生的磁场相对较小。出于这个原因,充电器将设备保持在感应电流所需的距离处,这只有在线圈靠近在一起时才会发生。更大,更强的场可以从更远的地方感应电流,但该过程效率极低。由于磁场向各个方向扩散,因此制造更大的磁场会浪费大量能量。
然而,在2006年11月,麻省理工学院的研究人员报告说,他们发现了一种在相隔几米的线圈之间传输功率的有效方法。由Marin Soljacic领导的团队认为,他们可以通过添加 共鸣 到等式。
理解共振的一个好方法是从声音的角度来思考它。物体的物理结构 - 如喇叭的大小和形状 - 决定了它自然振动的频率。这是它的 谐振频率.让物体以共振频率振动很容易,而让物体以其他频率振动则很难。这就是为什么吹小号会导致附近的小号开始振动。两个小号具有相同的共振频率。
麻省理工学院的研究表明,如果线圈周围的电磁场以相同的频率共振,感应的发生可能会略有不同。该理论使用弯曲的线圈作为电感器。一个 电容 盘子可以容纳电荷,连接到线圈的每一端。当电流通过该线圈时,线圈开始共振。其谐振频率是线圈电感和极板电容的乘积。

麻省理工学院的无线电力项目使用弯曲的线圈和电容板。
与电动牙刷一样,该系统依赖于两个线圈。沿着电磁波传播的电可以 隧道 从一个线圈到另一个线圈,只要它们都具有相同的谐振频率。这种效果类似于一个振动喇叭会导致另一个喇叭振动的方式。
只要两个线圈都超出彼此的范围,就不会发生任何事情,因为线圈周围的磁场不足以影响它们周围的太多。同样,如果两个线圈以不同的频率共振,则不会发生任何事情。但是,如果两个频率相同的谐振线圈彼此相距几米以内,能量流就会从发射线圈移动到接收线圈。根据该理论,一个线圈甚至可以向多个接收线圈发送电力,只要它们都以相同的频率共振即可。研究人员将其命名为 非辐射能量转移 因为它涉及线圈周围的固定场,而不是向各个方向扩散的场。

根据该理论,只要线圈具有相同的谐振频率,一个线圈就可以为范围内的任何设备充电。
麻省理工学院团队的初步工作表明,这种设置可以为一个房间中的所有设备供电或充电。为了长距离传输电力,例如建筑物或城市的长度,需要进行一些修改。该团队正在取得进展 - 2007年6月,麻省理工学院团队发表了一篇论文,详细介绍了他们原型的成功演示。他们使用共振线圈为灯泡供电约七英尺(两米)[来源: 物理组织].
其他无线充电理论涉及巨大的距离 - 例如从太空到太空 地球.我们接下来会看看这些。
无人飞机的其他动力
美国宇航局还为无人机开发了长距离电源。元帅太空飞行中心的科学家使用不可见的红外激光激活了小型光伏电池。 飞机.光伏电池 - 本质上 太阳能电池 ——把光转换成电。类似的系统也可以为爬升的设备供电。 太空电梯的系绳。然而,像这样的系统需要在激光和太阳能电池之间有直接的视线。
远距离无线电源

固定式高空中继平台(SHARP)无人机可以依靠地球发射的电力运行。无论是否包含共振,感应通常都会在相对较短的距离内发送功率。但一些无线电力计划涉及在数英里的范围内移动电力。一些提案甚至涉及向 地球 从太空。
在1980年代,加拿大通信研究中心制造了一种小型飞机,可以运行来自地球的电力。这架被称为固定式高空中继平台(SHARP)的无人机被设计为通信中继。SHARP可以从一个点到另一个点飞行,可以在大约13英里(21公里)的高度绕两公里直径的圆圈飞行。最重要的是,这架飞机一次可以飞行数月。
夏普飞行时间长的秘诀是一个大型的地面微波发射器。夏普的圆形飞行路径使其保持在该发射器的范围内。一个大的圆盘形 整流天线或 整流,就在飞机机翼后面,将发射器的微波能量转换为直流(DC)电。由于微波与整流天线的相互作用,只要SHARP在正常工作的微波阵列范围内,它就有恒定的电源。
整流天线是许多无线电力传输理论的核心。它们通常由偶极子天线阵列制成,具有正极和负极。这些天线连接到半导体 二极管.以下是发生的情况:
微波,这是 电磁波谱,到达偶极子触角。
天线收集微波能量并将其传输到二极管。
二极管就像打开或关闭的开关以及仅让电子向一个方向流动的十字转门。它们将电子引导到整流天线的电路。
电路将电子路由到需要它们的部件和系统。
其他更远距离的动力传输理念也依赖于整流天线。休斯顿大学的大卫·克里斯韦尔(David Criswell)提议使用微波将电力传输到 地球 来自月球上的太阳能发电站。地球上数以万计的接收器将捕获这种能量,整流器将其转换为电能。

地球上的站点可以通过微波接收来自月球的能量。
微波很容易穿过大气层,整流器非常有效地将微波整流成电能。此外,基于地球的整流器可以用网状框架建造,允许阳光和雨水到达下面的地面,并最大限度地减少对环境的影响。这样的设置可以提供干净的电源。但是,它确实有一些缺点:
月球上的太阳能发电站需要监督和维护。换句话说,该项目将需要可持续的载人月球基地。
在任何给定时间,只有部分地球可以直接看到月球。为了确保整个地球都有稳定的电力供应,卫星网络必须重新引导微波能量。
许多人会抵制不断沐浴在太空微波中的想法,即使风险相对较低。
虽然科学家们已经建立了使用无线电源运行的飞机的工作原型,但更大规模的应用,如月球上的发电站,仍然是理论上的。然而,随着地球人口的持续增长,对电力的需求可能会超过生产和移动电力的能力。最终,无线电源可能会成为一种必需品,而不仅仅是一个有趣的想法。
责任编辑:David
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