Elektromagnetisk trolddom:Trådløs strømoverførsel forbedret af bagudgående signal

Et internationalt forskerhold med forskere fra Moskva Institut for Fysik og Teknologi og ITMO Universitet har foreslået en måde at øge effektiviteten af ​​trådløs strømoverførsel over lange afstande og testet det med numeriske simuleringer og eksperimenter. For at opnå dette, de sendte strøm mellem to antenner, hvoraf den ene blev exciteret med et tilbage-propagerende signal med specifik amplitude og fase. Undersøgelsen er detaljeret beskrevet i et papir offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve og kort rapporteret i tidsskriftet American Physical Society Fysik .

"Begrebet en kohærent absorber blev introduceret i et papir udgivet tilbage i 2010. Forfatterne viste, at bølgeinterferens kan bruges til at kontrollere absorptionen af ​​lys og elektromagnetisk stråling generelt, " siger MIPT-doktorand Denis Baranov.

"Vi besluttede at finde ud af, om andre processer, såsom elektromagnetisk bølgeudbredelse, kan styres på samme måde. Vi valgte at arbejde med en antenne til trådløs strømoverførsel, fordi dette system ville have stor gavn af teknologien, " siger han. "Nå, vi var ret overraskede over at finde ud af, at kraftoverførsel kan, Ja, forbedres ved at sende en del af den modtagne strøm fra opladningsbatteriet tilbage til modtagerantennen."

Spoler og transformere

Trådløs strømoverførsel blev oprindeligt foreslået af Nikola Tesla i slutningen af ​​det 19. århundrede. Han formåede at tænde lysstofrør og glødelamper på afstand uden nogen ledninger, der forbinder lamperne med en generator. For at udføre denne bedrift, han brugte princippet om elektromagnetisk induktion:Når en vekselstrøm passerer gennem en spole – dvs. en leder viklet i en spiral omkring en cylinderformet kerne - dette giver anledning til et vekslende magnetfelt både inden i og uden for spolen. Faradays lov siger, at hvis en anden spole placeres i dette magnetfelt (figur 1), en elektrisk strøm induceres i denne anden spole, som så kan bruges til opladning af en akkumulator eller et andet formål.

Det er måske ikke indlysende, men trådløs strømoverførsel er allerede meget brugt. For eksempel, uforbundne induktionsspoler er kernen i transformatorer i fjernsynsapparater, smartphones, energibesparende lamper, elledninger, osv. Ved at øge eller mindske vekselspændingen i elnettet og individuelle enheder, transformere muliggør effektiv kraftoverførsel og drift af forbrugerelektronik. Udover det, en teknologi, der er analog med den, Tesla foreslår, er for nylig blevet implementeret i trådløse opladningspuder til telefoner og elbiler. Induktiv opladning begynder at virke i det øjeblik, en elbil eller en telefon, der understøtter teknologien, kommer inden for rækkevidde.

Fra i dag, imidlertid, "inden for rækkevidde" betyder lige oven på opladeren, og det er en af ​​hovedmanglerne ved den nuværende tilgængelige teknologi. Problemet er, at styrken af ​​det magnetiske felt, der genereres af spolen i opladeren, er omvendt proportional med afstanden fra den - dvs. feltet falmer hurtigt med afstanden. Så den anden spole, som er indbygget i enheden, skal være ret tæt på, for at der kan induceres en mærkbar strøm. Derfor bruges magnetiske kerner til at begrænse og styre magnetiske felter i transformere. Og det er også derfor, trådløse opladere fungerer over afstande under 3-5 centimeter. Den rækkevidde kunne selvfølgelig, forbedres ved at øge størrelsen af ​​en af ​​spolerne eller strømmen i den, men det ville betyde stærkere magnetfelter, der potentielt er skadelige for mennesker omkring enhederne. I de fleste lande, der er en lovlig grænse for strålingseffekt. For eksempel, i Rusland, tætheden af ​​stråling omkring celletårne ​​kan ikke overstige 10 mikrowatt pr. kvadratcentimeter.

Sender kraft over luften

Der er andre måder at overføre strøm på uden ledninger, der fungerer over længere afstande. Disse teknikker, kendt som fjernfelts energioverførsel, eller power beaming, Brug to antenner, hvoraf den ene sender energi i form af elektromagnetiske bølger til den anden, som så omdanner stråling til elektriske strømme. Senderantennen kan ikke forbedres væsentligt, fordi det i bund og grund bare genererer bølger. Den modtagende antenne, derimod har meget mere plads til forbedring.

Vigtigt, modtagerantennen absorberer ikke al den indfaldende stråling, men omstråler noget af den tilbage. Generelt sagt, antennerespons bestemmes af to nøgleparametre:henfaldstiderne τF og τw til stråling fra det frie rum og ind i det elektriske kredsløb, henholdsvis. Disse henfaldstider angiver, hvor lang tid det tager for en bølges amplitude at blive reduceret med en bestemt faktor - normalt bruges e-tallet. Forholdet mellem disse to værdier bestemmer, hvor meget af den energi, der bæres af en indfaldende bølge, der "ekstraheres" af den modtagende antenne. Når de to henfaldstider er ens, udvindes en maksimal mængde energi. Hvis τF er mindre end τw, genbestråling begynder for tidligt. Omvendt hvis τF er større end τw, antennen er for langsom til at absorbere den indfaldende stråling. Når de to tider er lige store, ingeniører siger, at betingelsen om konjugatmatchning er opfyldt. Med andre ord, antennen er indstillet. Selvom antenner er fremstillet med den betingelse i tankerne, at opnå absolut præcision er ret svært. Desuden, selv en perfekt antenne kan let afstemmes på grund af en temperaturændring, signalrefleksioner fra terrænet, og andre eksterne faktorer. Endelig, mængden af ​​absorberet energi afhænger også af strålingsfrekvensen og er maksimeret for bølger, hvis frekvenser matcher antennens resonansfrekvens.

Vigtigt, ovenstående gælder kun for en passiv antenne. Hvis, imidlertid, modtageren sender et hjælpesignal tilbage til antennen og signalets amplitude og fase svarer til den indfaldende bølges de to vil blande sig, potentielt ændre andelen af ​​udvundet energi. Denne konfiguration er diskuteret i papiret rapporteret i denne historie, som blev forfattet af et team af forskere med MIPTs Denis Baranov og ledet af Andrea Alù.

Udnytter interferens til at forstærke bølger

Før de implementerer deres foreslåede kraftoverførselskonfiguration i et eksperiment, fysikerne vurderede teoretisk, hvilken forbedring af en almindelig passiv antenne den kunne tilbyde. Det viste sig, at hvis betingelsen om konjugeret matchning er opfyldt i første omgang, der er ingen som helst forbedring:Antennen er perfekt indstillet til at begynde med. Imidlertid, for en afstemt antenne, hvis henfaldstider varierer betydeligt - dvs. når τF er flere gange større end τw, eller omvendt – hjælpesignalet har en mærkbar effekt. Afhængigt af dens fase og amplitude, andelen af ​​absorberet energi kan være flere gange større sammenlignet med den samme detunede antenne i passiv tilstand. Faktisk, mængden af ​​absorberet energi kan blive lige så høj som for en indstillet antenne.

For at bekræfte deres teoretiske beregninger, forskerne modellerede numerisk en 5-centimeter lang dipolantenne forbundet til en strømkilde og bestrålede den med 1,36-gigahertz-bølger. For denne opsætning, energibalancens afhængighed af signalfase og amplitude faldt generelt sammen med de teoretiske forudsigelser. Interessant nok, balancen blev maksimeret for et nulfaseskift mellem signalet og den indfaldende bølge. Forklaringen fra forskerne er denne:I nærværelse af hjælpesignalet, antennens effektive blænde er forbedret, så det opsamler mere udbredelsesenergi ind i kablet. Denne stigning i blænde er tydelig fra Poynting-vektoren omkring antennen, som angiver retningen for elektromagnetisk strålings energioverførsel.

Ud over numeriske simuleringer, holdet udførte et eksperiment med to koaksiale adaptere, som fungerede som mikrobølgeantenner og var placeret 10 centimeter fra hinanden. En af adapterne udstrålede bølger med en effekt på omkring 1 milliwatt, og den anden forsøgte at samle dem op og overføre energien til et kredsløb gennem et koaksialkabel. Når frekvensen blev sat til 8 gigahertz, adapterne fungerede som tunede antenner, at overføre strøm med praktisk talt ingen tab. Ved lavere frekvenser, imidlertid, amplituden af ​​reflekteret stråling steg kraftigt, og adapterne fungerede mere som afstemte antenner. I sidstnævnte tilfælde, det lykkedes forskerne at øge mængden af ​​transmitteret energi næsten tidoblet ved hjælp af hjælpesignaler.

I november, et team af forskere inklusive Denis Baranov demonstrerede teoretisk, at et gennemsigtigt materiale kan fremstilles til at absorbere det meste indfaldende lys, hvis den indkommende lysimpuls har de rigtige parametre (specifikt, amplituden skal vokse eksponentielt). Tilbage i 2016, fysikere fra MIPT, ITMO Universitet, og University of Texas i Austin udviklede nanoantenner, der spreder lys i forskellige retninger afhængigt af dets intensitet. Disse kan bruges til at skabe ultrahurtige datatransmissions- og behandlingskanaler.