Проект "Беспроводная_передача_электричества"

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение
«Гимназия города Юрги»

Проект
«Беспроводная передача электричества»

Выполнил

Мощенко Федор Валентинович

Ученик 10 «Е» класса

Тьютор

Щеглова Лариса Владимировна

Юрга 2023г.

СОДЕРЖАНИЕ:

ПАСПОРТ ПРОЕКТА 3

ВВЕДЕНИЕ 4

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 6

Ресурсное обеспечение 14

Риски и пути их минимизации 15

Этапы реализации 16

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 17

Гантт-график реализации проекта 17

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 18

ПРИЛОЖЕНИЯ 19

Сейчас практически невозможно представить себе современную жизнь без электроприборов и электричества. Уже несколько поколений удивляются и не понимают – как когда-то люди жили без такого блага цивилизации – электричества?

Я провел исследования по теме «Электричество в повседневной жизни» и хотел узнать, что такое электричество, как его можно обнаружить в нашей повседневной жизни. В настоящее время очень большую роль играют электрические приборы, но большинство людей даже не представляют, насколько они опасны.

Цель: Повышение уровня знаний о беспроводной передачи электричества.

Задачи:

• Проанализировать научную литературу об электричестве

• Изучить принцип работы беспроводной передачи электричества

• Создать устройство беспроводной передачи электричества

Актуальность темы.

Беспроводная зарядка стала все более популярной и широко используется в быту. Ее применение интуитивно понятно и просто. Подключив станцию беспроводной зарядки к розетке, можно разместить на ней любой аккумуляторный устройство, поддерживающее технологию беспроводной зарядки, и зарядить его.

Беспроводная зарядка применяется в следующих сферах быта:

1. Беспроводные зарядные устройства для смартфонов и планшетов: Современные смартфоны и планшеты поддерживают технологию беспроводной зарядки. Беспроводной зарядки широко используются в магазинах, кафе, аэропортах и других местах, где пользователи могут заряжать свои устройства. Также можно купить беспроводную зарядку для домашнего использования.

2. Беспроводные зарядные устройства для наушников: Современные наушники с поддержкой беспроводной связи также могут быть заряжены через станцию беспроводной зарядки.

3. Беспроводные зарядные устройства для часов: не все часы поддерживают технологию беспроводной зарядки, но существуют модели, которые можно заряжать через станцию беспроводной зарядки.

4. Беспроводные зарядные устройства для других аккумуляторных устройств: Беспроводная зарядка может быть использована для зарядки других аккумуляторных устройств, таких как фитнес-трекеры, дроны и т.п.

Таким образом, технология беспроводной зарядки позволяет упростить жизнь пользователям, избавиться от лишних проводов и получить большую свободу в использовании аккумуляторных устройств.

Методы:

• изучение литературных источников; практическая работа.

• Теоретическая значимость:

• изучение и систематизация материала по данной теме.

История исследования электричества

Электричество — это форма энергии, и оно встречается в природе, поэтому оно не было «изобретено». Что касается того, кто его открыл, то здесь существует множество заблуждений. Некоторые ставят в заслугу Бенджамину Франклину открытие электричества, но его эксперименты лишь помогли установить связь между молнией и электричеством, не более того.

Правда об открытии электричества немного сложнее, чем о человеке, запускающем воздушного змея. На самом деле она насчитывает более двух тысяч лет.

Примерно в 600 году до н. э. древние греки обнаружили, что натирание меха янтарем (окаменевшей древесной смолой) вызывает притяжение между ними - и, таким образом, то, что обнаружили греки, на самом деле было статическим электричеством. Кроме того, в 1930-х годах исследователи и археологи обнаружили горшки с медными листами внутри, которые, по их мнению, могли быть древними батареями, предназначенными для получения света в древнеримских поселениях. Похожие устройства были найдены в археологических раскопках под Багдадом, что означает, что древние персы также могли использовать раннюю форму батарей.

Но к 17 веку было сделано множество открытий, связанных с электричеством, таких как изобретение раннего электростатического генератора, различие между положительными и отрицательными токами, а также классификация материалов на проводники и изоляторы.

В 1600 году английский врач Уильям Гилберт использовал латинское слово «electricus» для описания силы, которую оказывают определенные вещества при трении друг о друга. Несколько лет спустя другой английский ученый, Томас Браун, написал несколько книг и использовал слово «электричество» для описания своих исследований, основанных на работах Гильберта. В 1752 году Бен Франклин провел эксперимент с воздушным змеем, ключом и грозой. Это просто доказало, что молния и крошечные электрические искры - одно и то же.

Итальянский физик Алессандро Вольта обнаружил, что определенные химические реакции могут производить электричество, и в 1800 году он сконструировал вольтову сваю (раннюю электрическую батарею), которая производила постоянный электрический ток, и таким образом стал первым человеком, создавшим постоянный поток электрического заряда. Вольта также создал первую передачу электричества, соединив положительно заряженные и отрицательно заряженные разъемы и пропустив через них электрический заряд, или напряжение.

В 1831 году электричество стало пригодным для использования в технике, когда Майкл Фарадей создал электрическое динамо (грубый электрогенератор), которое решило проблему генерации электрического тока постоянным и практичным способом. В довольно грубом изобретении Фарадея использовался магнит, который перемещался внутри катушки медной проволоки, создавая крошечный электрический ток, протекающий по проволоке. Это открыло дорогу американцу Томасу Эдисону и британскому ученому Джозефу Свону, которые изобрели лампу накаливания с нитью в своих странах примерно в 1878 году. До этого лампочки были изобретены другими людьми, но лампа накаливания стала первой практичной лампой, которая горела несколько часов подряд.

Позднее Сван и Эдисон создали совместную компанию для производства первой практичной лампы накаливания, а Эдисон использовал свою систему постоянного тока (DC) для обеспечения энергией первых электрических уличных фонарей в Нью-Йорке в сентябре 1882 года.

Позднее, в 1800-х и начале 1900-х годов, американский инженер сербского происхождения, изобретатель и просто волшебник в области электротехники Никола Тесла внес важный вклад в рождение коммерческого электричества. Он работал с Эдисоном и впоследствии осуществил множество революционных разработок в области электромагнетизма, а также имел конкурирующие патенты с Маркони на изобретение радио. Он хорошо известен своей работой с переменным током (AC), двигателями AC и полифазной системой распределения.

Позже американский изобретатель и промышленник Джордж Вестингауз приобрел и разработал запатентованный Теслой двигатель для генерации переменного тока, и работа Вестингауза, Теслы и других постепенно убедила американское общество в том, что будущее электричества за переменным током, а не за постоянным.

Среди тех, кто работал над тем, чтобы довести использование электричества до сегодняшнего уровня, - шотландский изобретатель Джеймс Уатт, французский математик Андре Ампер и немецкий математик и физик Георг Ом.

Таким образом, электричество открыл не один человек. Хотя концепция электричества была известна уже тысячи лет, когда пришло время развивать его в коммерческом и научном плане, над проблемой одновременно работали несколько великих умов.

Применения беспроводной передачи электричества в технике

Для работы каждой электронной системы или устройства необходима электроэнергия, будь то от сети переменного тока или от аккумулятора. Эта электроэнергия не может храниться бесконечно в каких-либо перезаряжаемых устройствах, таких как батареи, конденсаторы или суперконденсаторы. Поэтому любые портативные устройства, такие как ноутбуки или мобильные телефоны, необходимо подключать к сети переменного тока для регулярной подзарядки аккумуляторов.

Обычно для подключения таких перезаряжаемых устройств, как смартфоны, планшеты, наушники, Bluetooth колонки и т. д. к адаптерам AC-DC используются электрические кабели. Использование электронных кабелей для передачи энергии или данных между двумя системами является самым простым и популярным способом с момента открытия самого электричества. И люди довольны использованием электрических кабелей до сих пор, но с развитием технологий, безопасности и стремления человечества к совершенству в красоте появились понятия беспроводной передачи энергии (WPT) или беспроводной передачи энергии (WET), которые давно ушли в историю. В некоторых из наших предыдущих статей мы подробно рассказывали о беспроводной передаче энергии, а также построили схему беспроводной передачи энергии для свечения светодиода.

Первое значительное экспериментальное применение беспроводной передачи энергии (WPT) было осуществлено в начале 1890-х годов изобретателем Николой Тесла. В ходе экспериментов электроэнергия передавалась посредством индуктивной и емкостной связи с использованием резонансных трансформаторов, возбуждаемых искрой на радиочастоте, которые сейчас называются катушками Тесла. Хотя эти эксперименты частично успешны, они неэффективны и требуют больших инвестиций. Поэтому впоследствии эти эксперименты были прекращены, а изучение технологии застопорилось на долгие годы. Мы также построили мини-катушку Тесла, чтобы продемонстрировать концепцию катушек Тесла.

Хотя даже сейчас не существует эффективного способа беспроводной передачи большой мощности, с помощью современных технологических достижений можно разработать схему для эффективной передачи малой мощности между двумя системами. Беспроводные зарядные устройства разработаны на основе этой недавно разработанной схемы, которая позволяет передавать энергию смартфонам и другим небольшим электронным устройствам без проводов.

С тех пор как концепция беспроводной передачи энергии стала популярной, ученые и инженеры придумывали различные способы реализации этой концепции. Хотя большинство этих экспериментов привели к неудачам или непрактичным результатам, некоторые из них все же дали удовлетворительные результаты. Эти проверенные и работающие способы достижения беспроводной передачи энергии имеют свои преимущества, недостатки и особенности. Среди этих различных методов только несколько используются при разработке беспроводных зарядных устройств. В то время как другие методы имеют свою область применения и свои преимущества.

Принцип работы беспроводной передачи электричества

Теперь для лучшего понимания эти методы классифицируются на основе расстояния передачи, максимальной мощности и метода, используемого для достижения передачи энергии. На рисунке ниже показаны различные способы, используемые для достижения технологии беспроводной передачи энергии, и их классификация.

Первая и наиболее важная классификация основана на том, насколько далеко возможна передача энергии. В экспериментальных методах некоторые из них способны передавать энергию по беспроводному каналу к нагрузкам на большом расстоянии, в то время как другие могут передавать энергию только к нагрузкам на расстоянии нескольких сантиметров от источника. Таким образом, первое разделение основано на том, является ли метод ближнепольным или дальнепольным.

Разница в возможностях по расстоянию зависит от типа явления, используемого различными методами для беспроводной передачи энергии. Например, если среда, используемая методом для передачи энергии, - это электромагнитная индукция, то максимальное расстояние может быть не более 5 см. Это связано с тем, что потери магнитного потока растут экспоненциально с увеличением расстояния между источником и нагрузкой, что приводит к неприемлемым потерям мощности. С другой стороны, если для передачи энергии используется электромагнитное излучение, то максимальное расстояние может достигать нескольких метров. Это связано с тем, что ЭМИ может быть сконцентрировано в фокусной точке, которая находится на расстоянии нескольких метров от источника. Кроме того, методы, использующие ЭМИ в качестве средства доставки энергии, имеют более высокую эффективность по сравнению с другими.

Среди множества способов, упомянутых выше, некоторые более популярны, чем другие, и ниже рассматриваются популярные методы, которые широко используются.

Как видно из названия, в этом методе для подачи энергии на нагрузку используется микроволновый спектр ЭМП. Сначала передатчик получает питание от розетки или любого другого стабильного источника питания, а затем регулирует мощность переменного тока до необходимого уровня. После этого передаваемая мощность будет генерировать микроволны, потребляя этот регулируемый источник питания. Микроволны проходят по воздуху без каких-либо прерываний и достигают приемника или нагрузки. Приемник будет оснащен соответствующими устройствами для приема этого микроволнового излучения и преобразования его в электрическую энергию. Эта преобразованная электрическая энергия прямо пропорциональна количеству микроволнового излучения, достигнутого приемником, и, следовательно, достигается беспроводная передача энергии с помощью микроволнового излучения.

Любой человек, имеющий дело с электроникой и электроэнергией, должен был столкнуться с концепцией, называемой солнечной генерацией энергии. И если вы правильно помните, концепция солнечной генерации энергии - это не что иное, как использование электромагнитного излучения солнца для производства электроэнергии. Этот процесс преобразования может быть основан на системах солнечных панелей, солнечного отопления или любых других, и зарядное устройство на солнечной энергии можно легко построить с использованием солнечных панелей. Но ключевым моментом здесь является то, что энергия, передаваемая солнцем на землю, находится в форме электромагнитного излучения и находится в видимом спектре, а передача энергии здесь осуществляется беспроводным способом. Таким образом, концепция производства солнечной энергии сама по себе является мега-системой беспроводной передачи энергии.

Теперь, если мы заменим солнце меньшим генератором электромагнитного излучения (или просто источником света), мы сможем сфокусировать генерируемое излучение на нагрузку, которая находится в сотнях метров от источника света. Как только этот сфокусированный свет достигнет солнечной панели приемного модуля (или нагрузки), он преобразует световую энергию в электрическую, что и является первоначальной целью беспроводной передачи энергии.

До сих пор мы обсуждали техники или методы, способные передавать энергию на нагрузку, находящуюся на расстоянии нескольких метров от источника. Несмотря на то, что эти методы способны работать на расстоянии, они громоздкие и дорогостоящие, поэтому не подходят для разработки мобильных зарядных устройств. Наиболее практичными методами, которые могут быть использованы для проектирования беспроводных зарядных устройств, являются "индуктивная связь" и "магнитно-резонансная индукция". Это два метода, которые используют закон Фарадея об электромагнитной индукции в качестве принципа и магнитный поток в качестве явления распространения для достижения беспроводной передачи энергии.

Роль электричества в жизни человечества

Электричество играет важнейшую роль в современном мире, поскольку оно обеспечивает работу современных технологий во многих отраслях промышленности, домах и на предприятиях. Оно позволило создать приборы, гаджеты и устройства, которые сделали повседневную жизнь проще и удобнее. Вот некоторые из наиболее значимых ролей электричества в современном мире:

1. Освещение: Электричество позволяет освещать дома и города, что дает возможность заниматься деятельностью в любое время дня и ночи.

2. Связь: Электричество необходимо для работы таких устройств, как телефоны, компьютеры и Интернет, которые облегчают общение и обмен информацией.

3. Транспорт: Электричество является жизненно важным компонентом современных транспортных систем, таких как поезда, метро и электромобили.

4. Производство: Электроэнергия питает производственные процессы, от сборочных линий до роботизированного производства, что приводит к повышению эффективности и производительности.

5. Здравоохранение: Электрическое оборудование, такое как рентгеновские лучи, компьютерные томографы и аппараты МРТ, имеет решающее значение для медицинской диагностики и лечения.

6. Развлечения: Электричество питает такие устройства, как телевизоры, смартфоны и игровые приставки, которые обеспечивают развлечения и досуг.

В заключение следует отметить, что электричество - это необходимый товар в современном мире, оказывающий значительное влияние на нашу повседневную жизнь. Его важность невозможно переоценить, и мы не можем представить себе жизнь без него.

1. Технические средства связи и поиска информации – в основном, интернет.

2. Электронные справочники.

3. Документы.

4. Книги по физике.

Проектов без рисков не бывает. Увеличение сложности проекта приводит к увеличению числа и масштабов сопутствующих рисков.
Поэтому я предполагаю следующие риски моего проекта:

1. Незаинтересованность сведениями данного проекта.

2. Неточность и неполнота информации.

Для минимизации данных рисков я планирую:

1. Использовать различные источники информации, искать различные способы представления информации в компактном, удобном и привлекательном виде.

2. Правильная и корректная подборка информации по данной теме проекта.

3. Красочная реализация продукта проекта.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

В последнее десятилетие смартфоны стали одним из самых популярных и полезных гаджетов. Этот гаджет, действительно являющийся великим изобретением, теперь стал необходимостью для каждого. Поскольку технология производства аккумуляторов не претерпела значительных изменений по сравнению со смартфонами, нам приходится часто заряжать их.

Раньше единственным вариантом зарядки телефона было проводное зарядное устройство, но с появлением беспроводной технологии беспроводные зарядные устройства набирают все большие обороты. Мне тоже понадобилось беспроводное зарядное устройство для смартфона.

Поэтому в этой инструкции я решил сделать мощное беспроводное зарядное устройство для своих смартфонов. Это DIY беспроводное зарядное устройство хорошего качества 10 ватт Быстрое зарядное устройство, которое может легко зарядить аккумулятор 3000mAh примерно за 2 часа.

Беспроводное зарядное устройство в основном работает по принципу "электромагнитной индукции". Когда ток проходит через катушки провода в основании, он создает "магнитное поле".

Подобные катушки зарядного приемника расположены под задней крышкой смартфона. Когда мобильный телефон помещается над беспроводным зарядным устройством, индуцированное магнитное поле создает электрический ток в катушках приемника, который затем передается в зарядную цепь телефона и управляется ею. Эта зарядная схема в телефоне обеспечивает контролируемую оптимальную мощность для надлежащей зарядки аккумулятора.

После доставки печатной платы беспроводного зарядного устройства в сборе осторожно откройте коробку.

Следите за тем, чтобы не порвать провода при вскрытии упаковки.

Внимательно осмотрите схему и, если все в порядке, положите лист картона на катушки зарядного устройства и включите схему.

Поместите мобильный телефон на картон и протестируйте цепь зарядного устройства.

Продолжайте работу только в том случае, если зарядное устройство работает хорошо, если нет - верните изделие или получите обмен.

После тестирования изделия отпаяйте все соединения катушек от печатной платы.

Нет необходимости отсоединять плату светодиодного индикатора состояния от основного блока PCBA.

С помощью соединительных проводов проденьте оригинальные соединения зарядной катушки. (Обязательно используйте толстые медные провода хорошего качества).

Надлежащим образом изолируйте соединения термоусадочными трубками.

На листе картона начертите круг диаметром около 6 дюймов.

Поместите контур на одну из сторон и отметьте границу, как показано на рисунке выше.

Используя канцелярский нож, разрежьте картон по отмеченным линиям.

Обязательно сделайте две такие заготовки.

Вырежьте из гибкого картона длинную полоску шириной около 2 см.

С помощью суперклея приклейте полоску по границе одной из деталей, чтобы сделать нижнюю основу.

Вырежьте из гибкого картона две небольшие полоски шириной около 1 см.

Наклейте обе полоски напротив друг друга на внутреннюю границу основания.

Эти полоски будут поддерживать верхнюю платформу над ними.

Поместите катушки рядом с печатной платой.

Один за другим припаяйте все провода к печатной плате в той же последовательности, в какой они были удалены.

Дважды проверьте соединения и убедитесь, что катушки правильно подключены.

Вырежьте круг диаметром около 6 дюймов.

Накройте печатную плату картонным кругом, как показано на рисунке.

Нанесите немного горячего клея или двустороннего скотча на картон.

Наклейте зарядные катушки на двухсторонний скотч.

Расположите катушки так, чтобы они находились почти в центре картона.

Внимательно посмотрите на изображения и вырежьте кусок картона так, чтобы им можно было закрыть порт micro USB.

Прикройте стыки бумагой коричневого цвета.

Теперь закройте корпус верхней платформой и закрепите ее с помощью суперклея.

Дайте клею под наклеенным рисунком как следует высохнуть. Теперь, когда зарядное устройство готово, подключите настенный адаптер к беспроводному зарядному устройству.

Включите выключатель, и вы увидите, как светодиодный индикатор состояния меняет цвет с красного на синий, а затем, в конце концов, стабилизируется на красном.

Когда мобильный телефон будет помещен над зарядным устройством, индикатор состояния станет синим, и телефон начнет заряжаться без проводов.

- я

©- учитель

®- администрация гимназии

В результате проведённой работы я изучил большое количество теории, связанной со способами беспроводной передачи энергии. Так же выяснил, что устройства, способные осуществлять беспроводную передачу энергии, можно собрать самостоятельно, но это довольно трудоёмкий процесс, который требует определённых знаний и способностей как в физике, так и в радиотехнике.

         Я воссоздал экспериментальную установку, схожую с катушкой Теслы, а точнее качер Бровина и излучатель электромагнитного импульса. Устройство оказалось рабочим, и смогло осуществить беспроводную передачу энергии, зарядку телефона.

        Также я был очень рад узнать, что технология беспроводной передачи энергии получает довольное широкое распространение в современном мире. Из результатов проведённого мною анкетирования можно судить о том, что беспроводная передача энергии была бы очень полезна для общества. Кроме того, я установил, что микроволновка в принципе работы которой лежит способ микроволнового излучения уже вошла в нашу жизнь как нечто привычное и многие с трудом представляют жизнь без неё, т.к. она значительно облегчает жизнь. Да и у некоторых сторонников новаторства в области бытовой электроники могут найтись устройства, работающие по данной технологии. Например, электрическая зубная щётка, работающая не от батареек, а от аккумулятора.

1. Ванке В. А. Проблемы солнечных космических электростанций. / В. А.Ванке, В. М. Лопухин, В. Л. Саввин — Успехи физических наук, 1977. - т. 123, вып. 4, с. 633.

2. Ванке В. А. Электроэнергия из космоса // Журнал радиоэлектроники [Электронный ресурс] / Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова, РАН - Электрон.журн. – Москва, 2007, № 12. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/alt/dec07/1/text.html, свободный. – Загл. с экрана.

3. Паевский А. На связи, но не на привязи / А. Паевский // Вокруг света - 2010. - №1.