วิธีการทำงานของพลังงานไร้สาย

เว้นแต่ว่าคุณจะจัดระเบียบเป็นพิเศษและเหมาะกับการห่อเนคไท คุณอาจมีสายไฟที่มีฝุ่นพันพันรอบบ้าน คุณอาจต้องเดินตามสายไฟเส้นหนึ่งผ่านคำรามที่ดูเหมือนเป็นไปไม่ได้ไปยังเต้ารับโดยหวังว่าปลั๊กที่คุณดึงจะเป็นปลั๊กที่ถูกต้อง นี้เป็นหนึ่งในความ หายนะของไฟฟ้า แม้ว่าจะช่วยให้ชีวิตของผู้คนง่ายขึ้น แต่ก็สามารถเพิ่มความยุ่งเหยิงในกระบวนการได้

ด้วยเหตุผลเหล่านี้ นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามพัฒนาวิธีการส่งพลังงานแบบไร้สายที่สามารถลดความยุ่งเหยิงหรือนำไปสู่แหล่งไฟฟ้าที่สะอาด แม้ว่าแนวคิดนี้อาจฟังดูล้ำสมัย แต่ก็ไม่ใช่เรื่องใหม่โดยเฉพาะ Nicola Tesla เสนอทฤษฎีการส่งกำลังแบบไร้สายในช่วงปลายปี 1800 และต้นทศวรรษ 1900 การจัดแสดงที่น่าตื่นตาตื่นใจที่สุดชิ้นหนึ่งของเขาเกี่ยวข้องกับการเปิดไฟ จากระยะไกล บนพื้นดินที่สถานีทดลองโคโลราโดสปริงส์ของเขา

งานของเทสลาน่าประทับใจ แต่ก็ไม่ได้นำไปสู่วิธีการส่งกำลังแบบไร้สายที่แพร่หลายและใช้งานได้จริงในทันที ตั้งแต่นั้นมา นักวิจัยได้พัฒนาเทคนิคหลายอย่างในการเคลื่อนย้ายไฟฟ้าในระยะทางไกลโดยไม่ต้องใช้สายไฟ บางอย่างมีอยู่เพียงเป็นทฤษฎีหรือต้นแบบ แต่บางส่วนมีการใช้งานอยู่แล้ว ตัวอย่างเช่น หากคุณมีแปรงสีฟันไฟฟ้าคุณอาจใช้ประโยชน์จากวิธีหนึ่งทุกวัน

การส่งพลังงานแบบไร้สายเป็นเรื่องปกติในโลกส่วนใหญ่ คลื่นวิทยุเป็นพลังงาน และผู้คนใช้คลื่นเหล่านี้ในการส่งและรับสัญญาณ โทรศัพท์ มือถือโทรทัศน์วิทยุ และWiFiทุกวัน คลื่นวิทยุกระจายไปทั่วทุกทิศทุกทางจนถึงเสาอากาศที่ปรับความถี่ให้เหมาะสม วิธีการที่คล้ายกันในการถ่ายโอนพลังงานไฟฟ้าจะไม่มีประสิทธิภาพและเป็นอันตราย

ตัวอย่างเช่น การสัมผัสกับน้ำทุกวันของแปรงสีฟันทำให้ที่ชาร์จแบบเสียบปลั๊กแบบเดิม ๆ อาจเป็นอันตรายได้ การเชื่อมต่อทางไฟฟ้าแบบธรรมดาอาจทำให้น้ำซึมเข้าไปในแปรงสีฟัน ซึ่งทำให้ส่วนประกอบเสียหายได้ ด้วยเหตุนี้ แปรงสีฟันส่วนใหญ่จึงชาร์จใหม่ผ่าน การประกบ แบบเหนี่ยวนำ ดูหน้าถัดไปเพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีการทำงานของคัปปลิ้งแบบเหนี่ยวนำ

สารบัญ

1. คัปปลิ้งอุปนัย
2. เสียงสะท้อนและพลังงานไร้สาย
3. พลังไร้สายทางไกล

คัปปลิ้งอุปนัยใช้สนามแม่เหล็กที่เป็นส่วนหนึ่งของการเคลื่อนที่ของกระแสผ่านลวดโดยธรรมชาติ ทุกครั้งที่กระแสไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านเส้นลวด มันจะสร้างสนามแม่เหล็ก เป็นวงกลม รอบเส้นลวด การดัดลวดให้เป็นขดลวดจะขยายสนามแม่เหล็ก ยิ่งขดลวดสร้างวงมากเท่าไหร่ สนามก็จะยิ่งใหญ่ขึ้นเท่านั้น

หากคุณวางขดลวดเส้นที่สองในสนามแม่เหล็กที่คุณสร้างขึ้น สนามสามารถเหนี่ยวนำกระแสในเส้นลวดได้ นี่คือหลักการ ทำงานของ หม้อแปลงไฟฟ้าและนี่คือวิธีการชาร์จแปรงสีฟันไฟฟ้า ใช้เวลาสามขั้นตอนพื้นฐาน:

คุณสามารถใช้หลักการเดียวกันนี้เพื่อชาร์จอุปกรณ์หลายเครื่องพร้อมกันได้ ตัวอย่างเช่น แผ่นชาร์จ Splashpower และ Powerdesk ของ Edison Electric ต่างก็ใช้คอยล์เพื่อสร้างสนามแม่เหล็ก อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ใช้ตัวรับสัญญาณในตัวหรือปลั๊กอินที่เกี่ยวข้องเพื่อชาร์จขณะวางบนเสื่อ ตัวรับสัญญาณเหล่านี้ประกอบด้วยคอยล์ที่ใช้งานร่วมกันได้และวงจรที่จำเป็นในการส่งกระแสไฟฟ้าไปยังแบตเตอรี่ของอุปกรณ์

ทฤษฎีที่ใหม่กว่าใช้การตั้งค่าที่คล้ายกันเพื่อส่งกระแสไฟฟ้าในระยะทางที่ไกลกว่า เราจะดูว่ามันทำงานอย่างไรในหัวข้อถัดไป

อุปกรณ์ในครัวเรือนสร้างสนามแม่เหล็กที่ค่อนข้างเล็ก ด้วยเหตุนี้ ที่ชาร์จจึงถืออุปกรณ์ต่างๆ ไว้ในระยะห่างที่จำเป็นในการกระตุ้นกระแส ซึ่งจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อขดลวดอยู่ใกล้กันเท่านั้น สนามที่ใหญ่กว่าและแข็งแกร่งกว่าสามารถเหนี่ยวนำกระแสจากที่ไกลออกไปได้ แต่กระบวนการนี้จะไม่มีประสิทธิภาพอย่างยิ่ง เนื่องจากสนามแม่เหล็กกระจายไปทุกทิศทุกทาง ทำให้สนามใหญ่ขึ้นจะสิ้นเปลืองพลังงานมาก

อย่างไรก็ตาม ในเดือนพฤศจิกายน พ.ศ. 2549 นักวิจัยที่ MIT รายงานว่าพวกเขาได้ค้นพบวิธีที่มีประสิทธิภาพในการถ่ายโอนพลังงานระหว่างขดลวดที่ห่างกันไม่กี่เมตร ทีมที่นำโดย Marin Soljacic ได้ตั้งทฤษฎีว่าพวกเขาสามารถขยายระยะห่างระหว่างคอยส์โดยเพิ่มการสั่นพ้องให้กับสมการ

วิธีที่ดีในการทำความเข้าใจเรโซแนนซ์คือการคิดถึงมันในแง่ของเสียง โครงสร้างทางกายภาพของวัตถุ เช่น ขนาดและรูปร่างของแตร เป็นตัวกำหนดความถี่ที่มันสั่นสะเทือนตามธรรมชาติ นี่คือความถี่พ้อง เป็นเรื่องง่ายที่จะทำให้วัตถุสั่นด้วยความถี่เรโซแนนซ์ของวัตถุและทำให้วัตถุสั่นที่ความถี่อื่นได้ยาก นี่คือสาเหตุที่การเล่นทรัมเป็ตอาจทำให้แตรที่อยู่ใกล้ๆ เริ่มสั่นได้ แตรทั้งสองมีความถี่เรโซแนนซ์เท่ากัน

การวิจัยที่ MIT ระบุว่าการเหนี่ยวนำอาจเกิดขึ้นแตกต่างกันเล็กน้อยหากสนามแม่เหล็กไฟฟ้ารอบขดลวดสะท้อนที่ความถี่เดียวกัน ทฤษฎีนี้ใช้ขดลวดโค้งเป็นตัวเหนี่ยวนำ แผ่นเก็บประจุ ซึ่งสามารถเก็บประจุได้ ยึดติดกับปลายแต่ละด้านของขดลวด เมื่อไฟฟ้าเดินทางผ่านขดลวดนี้ ขดลวดจะเริ่มสะท้อน ความถี่เรโซแนนซ์เป็นผลคูณของการเหนี่ยวนำของขดลวดและความจุของเพลต

เช่นเดียวกับแปรงสีฟันไฟฟ้า ระบบนี้ใช้ขดลวดสองขดลวด ไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ไปตามคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า สามารถอุโมงค์จากขดลวดหนึ่งไปยังอีกขดลวดหนึ่งได้ตราบเท่าที่ทั้งสองมีความถี่เรโซแนนซ์เท่ากัน เอฟเฟกต์นี้คล้ายกับวิธีที่แตรตัวหนึ่งที่สั่นไหวสามารถทำให้ตัวอื่นสั่นได้

ตราบใดที่ขดลวดทั้งสองอยู่นอกระยะกัน จะไม่มีอะไรเกิดขึ้น เนื่องจากสนามรอบ ๆ ขดลวดไม่แข็งแรงพอที่จะส่งผลกระทบมากนักรอบตัว ในทำนองเดียวกัน ถ้าขดลวดทั้งสองสะท้อนที่ความถี่ต่างกัน จะไม่มีอะไรเกิดขึ้น แต่ถ้าขดลวดสะท้อนสองตัวที่มีความถี่เท่ากันอยู่ห่างจากกันไม่เกินสองสามเมตร กระแสพลังงานจะเคลื่อนจากขดลวดที่ส่งไปยังขดลวดรับ ตามทฤษฎีแล้ว ขดลวดตัวเดียวสามารถส่งกระแสไฟฟ้าไปยังคอยล์รับหลายตัวได้ ตราบใดที่พวกมันยังสะท้อนที่ความถี่เดียวกัน นักวิจัยได้ตั้งชื่อการถ่ายโอนพลังงานที่ไม่แผ่รังสี นี้ เนื่องจากเกี่ยวข้องกับสนามที่อยู่นิ่งรอบขดลวดมากกว่าทุ่งที่กระจายไปทุกทิศทาง

งานเบื้องต้นของทีม MIT แนะนำว่าการตั้งค่าประเภทนี้สามารถจ่ายไฟหรือชาร์จอุปกรณ์ทั้งหมดในห้องเดียวได้ การดัดแปลงบางอย่างจำเป็นต้องส่งกำลังในระยะทางไกล เช่น ความยาวของอาคารหรือเมือง ทีมงานกำลังคืบหน้า ในเดือนมิถุนายน 2550 ทีม MIT ได้ตีพิมพ์บทความที่มีรายละเอียดเกี่ยวกับการสาธิตต้นแบบที่ประสบความสำเร็จ พวกเขาใช้ขดลวดสะท้อนเพื่อให้พลังงานแก่หลอดไฟในระยะทางประมาณเจ็ดฟุต (2 เมตร) [ที่มา: PhysOrg ]

ทฤษฎีพลังงานไร้สายอื่นๆ เกี่ยวข้องกับระยะทางมหาศาล เช่น จากอวกาศสู่โลก เราจะดูสิ่งเหล่านั้นต่อไป

พลังงานอื่นๆ สำหรับเครื่องบินไร้คนขับ

นาซ่ายังได้พัฒนาแหล่งพลังงานทางไกลสำหรับเครื่องบินไร้คนขับ นักวิทยาศาสตร์ที่ Marshal Space Flight Center ใช้ เลเซอร์อินฟราเรดที่มองไม่เห็นเพื่อกระตุ้นเซลล์สุริยะบนเครื่องบิน ขนาด เล็ก เซลล์แสงอาทิตย์ -- โดยพื้นฐานแล้วเซลล์แสงอาทิตย์ -- แปลงแสงเป็นไฟฟ้า ระบบที่คล้ายกันนี้ยังสามารถจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ที่ไต่เชือกของลิฟต์อวกาศ ได้อีกด้วย อย่างไรก็ตาม ระบบเช่นนี้ต้องการเส้นสายตาตรงระหว่างเลเซอร์กับเซลล์แสงอาทิตย์

ไม่ว่าจะรวมเรโซแนนซ์หรือไม่ก็ตาม โดยทั่วไปการเหนี่ยวนำจะส่งกำลังในระยะทางที่ค่อนข้างสั้น แต่แผนบางอย่างสำหรับพลังงานไร้สายนั้นเกี่ยวข้องกับการเคลื่อนย้ายกระแสไฟฟ้าในช่วงไมล์ ข้อเสนอบางส่วนยังเกี่ยวข้องกับการส่งพลังงานจากอวกาศมายังโลก

ในช่วงปี 1980 ศูนย์วิจัยการสื่อสารของแคนาดาได้สร้างเครื่องบินขนาดเล็กที่สามารถใช้พลังงานจากพื้นโลกได้ เครื่องบินไร้คนขับซึ่งเรียกว่าแพลตฟอร์มรีเลย์ระดับความสูงคงที่ (SHARP) ได้รับการออกแบบให้เป็นรีเลย์การสื่อสาร แทนที่จะบินจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง SHARP สามารถบินเป็นวงกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางสองกิโลเมตรที่ระดับความสูงประมาณ 13 ไมล์ (21 กิโลเมตร) ที่สำคัญที่สุด เครื่องบินสามารถบินได้ครั้งละหลายเดือน

เคล็ดลับของเที่ยวบินที่ยาวนานของ SHARP คือเครื่องส่งไมโครเวฟแบบใช้ภาคพื้นดินขนาดใหญ่ เส้นทางการบินเป็นวงกลมของ SHARP อยู่ในระยะของเครื่องส่งสัญญาณนี้ เสาอากาศแก้ไขรูปแผ่นดิสก์ขนาดใหญ่หรือเรท เทนนา ซึ่งอยู่ด้านหลังปีกเครื่องบินได้เปลี่ยนพลังงานไมโครเวฟจากเครื่องส่งเป็น ไฟฟ้ากระแสตรง (DC ) เนื่องจากการโต้ตอบของไมโครเวฟกับเรคเทนนา SHARP มีแหล่งจ่ายไฟคงที่ตราบเท่าที่ยังอยู่ในช่วงของอาร์เรย์ไมโครเวฟที่ใช้งานได้

การแก้ไขเสาอากาศเป็นศูนย์กลางของทฤษฎีการส่งกำลังแบบไร้สายจำนวนมาก พวกมันมักจะทำเป็นอาร์เรย์ของเสาอากาศไดโพลซึ่งมีขั้วบวกและขั้วลบ เสาอากาศเหล่านี้เชื่อมต่อกับไดโอดเซ มิคอนดักเตอร์ นี่คือสิ่งที่เกิดขึ้น:

แนวคิดอื่นๆ เกี่ยวกับระบบส่งกำลังช่วงที่ยาวกว่านั้นก็อาศัยเรเทนเน่เช่นกัน David Criswell จากมหาวิทยาลัยฮูสตันได้เสนอให้ใช้ไมโครเวฟเพื่อส่งกระแสไฟฟ้าไปยังโลกจากสถานีพลังงานแสงอาทิตย์บนดวงจันทร์ เครื่องรับหลายหมื่นตัวบนโลกจะจับพลังงานนี้ และเรเทนเนจะเปลี่ยนให้เป็นไฟฟ้า

ไมโครเวฟผ่านชั้นบรรยากาศได้ง่าย และปรับคลื่นไมโครเวฟให้เป็นกระแสไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพมาก นอกจากนี้ เรคเทนเนบนดินยังสามารถสร้างขึ้นด้วยโครงแบบตาข่าย ซึ่งช่วยให้ดวงอาทิตย์และฝนไปถึงพื้นดินด้านล่าง และลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมให้เหลือน้อยที่สุด การตั้งค่าดังกล่าวสามารถให้แหล่งพลังงานที่สะอาด อย่างไรก็ตาม มันมีข้อเสียบางประการ:

ในขณะที่นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างเครื่องบินต้นแบบที่ใช้งานได้ซึ่งใช้พลังงานไร้สาย การใช้งานขนาดใหญ่ เช่น โรงไฟฟ้าบนดวงจันทร์ ยังคงเป็นทฤษฎี ในขณะที่ประชากรโลกยังคงเพิ่มขึ้น ความต้องการไฟฟ้าอาจแซงหน้าความสามารถในการผลิตและเคลื่อนย้ายไฟฟ้าไปรอบๆ ในที่สุด พลังงานไร้สายอาจกลายเป็นสิ่งจำเป็นมากกว่าเป็นแค่แนวคิดที่น่าสนใจ

อ่านต่อไปสำหรับข้อมูลเพิ่มเติมมากมายเกี่ยวกับไฟฟ้า พลังงานไร้สาย และหัวข้อที่เกี่ยวข้อง

ขอบคุณ

ขอขอบคุณJosh Senecalสำหรับความช่วยเหลือในบทความนี้

บทความที่เกี่ยวข้อง

ลิงค์ที่ยอดเยี่ยมเพิ่มเติม

แหล่งที่มา