Помимо удобства беспроводные зарядные устройства

IX ГОРОДСКАЯ ЗАЩИТА
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ, ПРИКЛАДНЫХ И ТВОРЧЕСКИХ ПРОЕКТОВ
«Я – ТАЛАНТ!»
«Передача электричества без проводов»
Исполнитель:
Певцов Илья Денисович
ученик 8 класса МАОУ
гимназии № 37
Руководитель:
Глушко Светлана Геннадьевна
учитель физики МАОУ
гимназии № 37
г. Екатеринбург
1
Оглавление
1. Введение……………………….……………………….…………….......3
2. Основная часть……………………….……………………….……….....6
2.1. Теоретическая часть………………………………………….………..6
2.2. Практическая часть…………………………….……………………...13
3. Заключение…………………….…………………………………………14
4. Список литературы……………………….………………….………..…18
5. Приложение………………………………………………..……………..19
2
Введение
Прошло уже 80 лет, и я по-прежнему
задаю себе тот же вопрос (прим. —
Что же такое электричество?), но
не в состоянии ответить на него.
Никола Тесла
Актуальность темы. Даже после того, как беспроводное подключение к
интернету стало обыденностью, передача энергии без проводов по-прежнему
воспринимается многими, как научная фантастика. Но тем не менее, в течение
последних нескольких лет в этом направлении велись активные исследования, и
сейчас первые устройства, позволяющие работать технике без проводов, уже
доступны в продаже. Переход к использованию беспроводных зарядных
устройств позволит решить целый комплекс проблем, с которыми сегодня
сталкиваются пользователи портативных электронных устройств. Достоинств у
новой технологии очень много, но всё же давайте попробуем перечислить самые
главные:
1. Практичность.
Индуктивное
зарядное
устройство
рассчитано
на
возможность одновременного подключения нескольких аппаратов. В
отличие от традиционных зарядных устройств для этого не понадобятся
дополнительные розетки.
2. Экономность. Хотя общий КПД индуктивных зарядок и ниже, чем у
традиционных,
благодаря
практически
полному
отсутствию
энергопотребления при простое (0,0001 Вт) они вырываются вперед при
длительной эксплуатации.
3. Удобство. Владелец телефона просто кладет аппарат на поверхность, куда
встроен передатчик, совершенно не заботясь о подключении к сети. И в
конце концов с точки зрения эстетики отсутствие лишних проводов всегда
было большим плюсом.
3
Передача энергии на расстояние - это действительно новая технология,
которая разрабатывалась для ряда инновационных проектов. Однако в последние
годы целью многих крупных компаний (Intel, Sony, Apple) было исследование
беспроводной передачи энергии для использования в быту.
Одной
из
первых
индуктивную
зарядку
представила
компания
Powermat[Рис.1](приложение1). Упрощённо, можно сказать, что устройство
состоит из двух разных компонентов: коврика и чехла. Чехол, при желании,
можно использовать для повседневной защиты смартфона или проигрывателя.
Использование зарядного устройство не таит в себе никаких сложностей. К
примеру, вы – счастливый обладатель Apple iPhone . Всё, что вам необходимо
сделать – это лишь положить аппарат в чехле на коврик. Всё остальное умное
приспособление сделает за вас. Модели современных компаний, производящих
зарядное устройство поддерживают iPhone и Android. Столь ограниченный
выбор обусловлен тем, что изначально ни один телефон не имеет приемника для
получения энергии, который встраивается в смартфон вместе с новой батареей
или уже входит в комплектацию со специальным корпусом. Дополнительный
порт USB полностью оправдывает назначение универсального зарядного
устройства – вы без проблем сможете заряжать смартфоны и телефоны,
проигрыватели MP3/MP4/MP5/MP6 а также множество других гаджетов,
которые заряжаются с использованием разъёма USB. Крупные оптовые
покупатели при желании могут расширить базовую комплектацию, заказав
дополнительные переходники и превратив умное устройство в мощную
зарядную станцию. Яркий пример использования устройства – услуга платной
срочной подзарядки мобильных телефонов в центре города. При этом можно
благополучно забыть про десятки различных сетевых адаптеров с кучей
проводов, ведь всё уместится на одном универсальном коврике!
Из сказанного выше мы можем выдвинуть гипотезу: возможно ли, сделать
универсальное беспроводное зарядное устройство в домашних условиях.
4
Цель – практическим путем доказать возможность создания универсального
беспроводного зарядного устройства в домашних условиях.
Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие
задачи:
1. Изучить литературу и интернет источники по данной теме.
2. Выяснить, какие физические явления лежат в основе работы зарядного
устройства.
3. Выполнить практическую работу по созданию этого устройства.
4. Рассмотреть перспективы дальнейшего совершенствования устройства.
Объект исследования: беспроводное зарядное устройство.
Предмет исследования: создание универсального беспроводного зарядного
устройства.
Методы исследования: теоретический (теоретический анализ и обобщение
специализированной литературы); эмпирический (проведение эксперимента).
5
Основная часть
Теоретическая часть
Целью работы является
практическим путем доказать возможность
создания универсального беспроводного зарядного устройства в домашних
условиях. Однако, прежде, чем создавать это устройство, необходимо изучить
процессы, происходящие с проводником, который помещают в магнитное поле,
а так же рассмотреть опыт ученых в этой области.
Основной
принцип
работы
беспроводной
зарядки
основан
на
использовании эффекта электромагнитной индукции. Для этого необходимо
наличие
двух
нестатическое
катушек
и
переменный
электромагнитное
поле
ток,
(первая
который
катушка
будет
создавать
расположена
в
передатчике, вторая в приемнике). Электрические и магнитные явления тесно
связаны. И если ток порождает магнетизм, то должно существовать и обратное
явление - появление электрического тока при движении магнита. Так рассуждал
английский учёный Майкл Фарадей, в 1822 г. сделавший в своём лабораторном
дневнике следующую запись: «Превратить магнетизм в электричество».
Этому событию предшествовало открытие явления электромагнетизма
датским физиком Хансом Кристианом Эрстедом, обнаружившим возникновение
магнитного поля вокруг проводника с током. Много лет Фарадей проводил
различные эксперименты, но первые опыты не принесли ему удачи. Основная
причина была в том, что учёный не знал, что лишь переменное магнитное поле
способно создать электрический ток. Реальный результат удалось получить
лишь в 1831 г. [рис.2](приложение 1). В опыте, проделанном 29 августа 1931 г.,
учёный обмотал витками проводов противоположные стороны железного
кольца. Один провод он соединил с гальванометром. В момент подключения
второго провода к батарее стрелка гальванометра резко отклонялась и
возвращалась в исходное положение. Такая же картина наблюдалась и при
размыкании контакта с батареей. Это означало, что в цепи появлялся
электрический ток. Он возникал в результате того, что силовые линии
6
магнитного поля, созданного витками первого провода, пересекали витки
второго провода и генерировали в них ток. Через несколько недель был проведен
опыт с постоянным магнитом. Фарадей подключил гальванометр к катушке из
медной проволоки. Затем резким движением втолкнул внутрь магнитный
стержень цилиндрической формы. В этот момент стрелка гальванометра также
резко качнулась. Когда стержень извлекался из катушки, стрелка качнулась
также, но в противоположную сторону. И так происходило каждый раз, когда
магнит вталкивался или выталкивался из катушки. То есть ток появлялся в
контуре при движении магнита в нём. Так Фарадею удалось «превратить
магнетизм в электричество».[рис.3](приложение 1). Через несколько недель был
проведен опыт с постоянным магнитом. Фарадей подключил гальванометр к
катушке из медной проволоки. Затем резким движением втолкнул внутрь
магнитный
стержень цилиндрической
формы. В этот момент стрелка
гальванометра также резко качнулась. Когда стержень извлекался из катушки,
стрелка качнулась также, но в противоположную сторону. И так происходило
каждый раз, когда магнит вталкивался или выталкивался из катушки. То есть ток
появлялся в контуре при движении магнита в нём. Так Фарадею удалось
«превратить магнетизм в электричество». Ток в катушке появляется также, если
вместо постоянного магнита внутри неё перемещать другую катушку,
подключенную к источнику тока.
Во
всех
этих
случаях
происходило
изменение
магнитного
потока,
пронизывающего контур катушки, что приводило к появлению электрического
тока в замкнутом контуре. Это явление навали электромагнитной индукцией, а
ток – индукционным током.
Известно, что ток в замкнутом контуре существует, если в нём
поддерживает разность потенциалов с помощью электродвижущей силы (ЭДС).
Следовательно, при изменении магнитного потока в контуре такая ЭДС в нём и
возникает. Она называется ЭДС индукции. Величина электромагнитной
индукции не зависит от того, по какой причине меняется магнитный поток –
7
изменяется ли само магнитное поле или контур движется в нём. Она зависит от
скорости изменения магнитного потока, пронизывающего контур.
где ε – ЭДС, действующая вдоль контура;
ФВ – магнитный поток.
На величину ЭДС катушки в переменном магнитном поле влияет число витков в
ней и величина магнитного потока. Закон Фарадея в этом случае выглядит так:
где N – число витков;
ФВ – магнитный поток через один виток;
Ψ – потокосцепление, или суммарный магнитный поток, сцепляющийся со всеми
витками катушки.
Ψ = N*Фi
Фi – поток, проходящий через один виток.
Даже слабый магнит может создать большой ток индукции, если скорость
движения этого магнита высока.
Так как индукционный ток возникает в проводниках при изменении магнитного
потока, пронизывающего их, то в проводнике, который движется в неподвижном
магнитном поле, он появится тоже. Направление тока индукции в этом случае
зависит от направления движения проводника и определяется по правилу правой
руки: «Если расположить ладонь правой руки таким образом, чтобы в неё
входили силовые линии магнитного поля, а отогнутый на 90 0 большой палец
показывал бы направление движения проводника, то вытянутые 4 пальца
укажут направление индуцированной ЭДС и направление тока в проводнике».
Направление тока индукции определяется по правилу, которое действует во всех
случаях, когда такой ток возникает. Это правило сформулировал российский
физик балтийского происхождения Эмилий Христианович Ленц: «Индукционный
8
ток, возникающий в замкнутом контуре, имеет такое направление, что
создаваемый им магнитный поток противодействует изменению того
магнитного потока, который этот ток вызвал.
Нужно заметить, что такой вывод был сделан учёным на основании результатов
опытов.
Ленц
создал
прибор,
состоящий
из
свободно
вращающейся
алюминиевой пластинки, на одном конце которой было закреплено сплошное
кольцо из алюминия, а на другом – кольцо с надрезом.
Если магнит приближали к сплошному кольцу, оно отталкивалось и
начинало «убегать».[рис.4](приложение 2). При отдалении магнита кольцо
стремилось догнать его. Ничего подобного не наблюдалось с разрезанным
кольцом.
Ленц объяснил это тем, что в первом случае индукционный ток создаёт
магнитное поле, линии индукции которого направлены противоположно линиям
индукции внешнего магнитного поля.
Во втором случае линии индукции
магнитного поля, созданного индукционным током, совпадают по направлению
с линиями индукции поля постоянного магнита. В разрезанном кольце ток
индукции не возникает, поэтому оно не может взаимодействовать с магнитом.
Согласно правилу Ленца при увеличении внешнего магнитного потока
индукционный ток будет иметь такое направление, что созданное им магнитное
поле будет препятствовать такому увеличению. Если же внешний магнитный
поток уменьшается, то магнитное поле индукционного тока будет поддерживать
его и не давать ему уменьшаться.[4] Закон Ленца справедлив для всех случаев
индуктирования тока в проводниках, независимо от формы проводников и от
того, каким способом достигается изменение внешнего магнитного поля.
При движении постоянного магнита относительно проволочной катушки,
присоединенной к клеммам гальванометра, или при движении катушки
относительно магнита возникает индукционный ток. Изменяющийся магнитный
поток способен индуктировать ЭДС не только в витках катушки, но и в
массивных
металлических
проводниках.
Пронизывая
толщу
массивного
9
проводника,
магнитный
поток
индуктирует
в
нем
ЭДС,
создающую
индукционные токи. Эти так называемые вихревые токи распространяются по
массивному
проводнику
трансформаторов,
и
накоротко
магнитопроводы
замыкаются
различных
в
нем.
электрических
Сердечники
машин
и
аппаратов представляют собой как раз те массивные проводники, которые
нагреваются возникающими в них индукционными токами. Явление это
нежелательно, поэтому для уменьшения величины индукционных токов части
электрических машин и сердечники трансформаторов делают не массивными, а
состоящими из тонких листов, изолированных один от другого бумагой или
слоем
изоляционного
лака.
Благодаря
этому
преграждается
путь
распространения вихревых токов по массе проводника.
Но иногда на практике вихревые токи используются и как токи полезные.
На использовании этих токов основана, например, работа индукционных
нагревательных печей, счетчиков электрической энергии и так называемых
магнитных успокоителей подвижных частей электроизмерительных приборов.
Время летит, появляются новые технологии, которые постепенно вытесняют
старые и занимают свою нишу на рынке. Вот и ещё одно направление привлекло
наше внимание: технология стандарта Qi, разработанная для беспроводной
зарядки мобильных телефонов и других гаджетов.
Основой для новой технологии послужили инновационные решения в области
исследования электромагнитной индукции. Всё крутится вокруг всем известного
явления — возникновения электрического тока в замкнутом контуре под
сильным воздействием внешнего магнитного поля. Первоначально разработчики
смогли добиться лишь беспроводной зарядки маленьких устройств, однако в
ряде экспериментов это решение было применено не только для зарядки
аккумуляторов электрических зубных щеток и некоторых смартфонов, но даже и
ноутбуков. К сожалению, зарядка ноутбуков на сегодняшний день не даёт
ожидаемого эффекта, ввиду небольшой мощности устройств, однако инженеры
не перестают трудиться в поисках идеального решения. Что касается мелких
10
гаджетов (мобильных телефонов, проигрывателей мультимедиа и других
электрических устройств) – здесь технология проявила себя на все 100%.
Рассмотрим, что же ещё толкнуло человечество для создания такого
устройства.
По
мере
электронных
приборов
устройствам
становится
увеличения
парка
проблема
перехода
все
более
эксплуатируемых
к
портативных
универсальным
актуальной.
Современный
зарядным
человек,
окруженный множеством электронных помощников, вынужден пользоваться
целым арсеналом адаптеров и зарядных устройств. Увы, вследствие различия
электрических характеристик и конструкций разъемов устройства разных
производителей и типов в большинстве случаев не представляется возможным
подзарядить от одного источника питания. Как следствие, приходится сооружать
целые гирлянды из удлинителей, чтобы подключить адаптеры используемых
зарядных устройств, и регулярно распутывать плотный клубок проводов в
поисках нужного разъема.
Хотя в последнее время фактическим стандартом для маломощных устройств (в
частности,
МР3-плееров,
беспроводных
гарнитур)
стала
возможность
подзарядки от порта USB. Учитывая, что сейчас в большинстве случаев именно
ПК является центральным звеном «цифрового дома», это вполне логично. В
начале этого года группе ведущих производителей мобильных телефонов
наконец-то удалось договориться о переходе к применению унифицированных
зарядных устройств. Подобные инициативы позволяют смотреть в будущее с
оптимизмом. Тем не менее до полного решения проблемы еще очень далеко. К
тому же унификация зарядных устройств хотя и позволит уменьшить количество
надоевших кабелей, но не избавит от них совсем. Однако есть более
эффективные решения.
Одним из возможных вариантов избавления от множества разнокалиберных
адаптеров и тянущихся от них проводов может стать переход к использованию
беспроводных зарядных устройств. Возможно, многим подобная идея покажется
фантастической. Однако ничего сверхъестественного в этом нет: технологии для
11
передачи электрической энергии на расстояние без использования кабелей
известны уже более века и давно применяются в целом ряде устройств.
В качестве одного из наиболее известных примеров можно привести
графические планшеты компании Wacom. Во всех моделях компании уже более
десятка лет применяются беспроводные безбатареечные перья, получающие
питание
от
планшета.
Еще
один
наглядный
пример —
смарт-карты,
используемые в качестве электронных пропусков, проездных билетов и т.д. В
такой карте есть миниатюрный чип, но нет встроенного источника питания.
Необходимый для работы ток чип получает от считывающего терминала при
помощи встроенной в карту антенны.
Как раз метод электромагнитной индукции используется и в аксессуарах для
большинства последних гаджетов. Электричество поступает на устройство
благодаря магнитному полю, создаваемому специальным передатчиком. При
этом принимающая сторона (батарея смартфона) должна находиться на очень
близком расстоянии, что не позволяет полностью насладиться свободой. Еще из
минусов стоит отнести более высокую (по сравнению с проводными решениями)
цену, как зарядных устройств, так и приемных модулей. И нельзя не упомянуть о
потерях электроэнергии в процессе передачи от планшета к приемнику. Даже у
лучших
конструкций,
использующих
электромагнитную
индукцию
для
беспроводной передачи электроэнергии, потери составляют 25-30%.
Выводом теоретической части работы может служить следующее.
устройстве
энергия
передаётся
от
передатчика
к
приёмнику
В
через
взаимосвязанное магнитное поле, возникающее при течении переменного тока
по
катушке
передатчика.
Если
катушка
приёмника
находится
в
непосредственной близости, значительная часть силовых линий передатчика
пройдёт через катушку приёмника, создав переменный ток в приёмнике,
который затем уже преобразовывается в постоянное напряжение.
12
Основная часть
Практическая часть
План подготовки и проведения опытов:
1. Подбор нужных материалов и инструментов.
2. Сборка зарядного устройства[Рис.5] (приложение 2)
3. Вычисление его свойств.
Материалы.
1. Блок питания (OUTPUT: 12V, 0.5A)
2. Медная проволока.
3. Транзистор IRF3205.
4. Резистор 100 Ом.
5. Диод 6А.
6. Светодиод.
Сборка зарядного устройства.
Передатчик
Схема передатчика проста и понятна. Желательно взять оправу с диаметром 7-10
см. и намотать 40 витков медной проволоки с диаметром 0,5мм. Обмотка имеет
отвод от середины. Сначала аккуратно мотаем 20 витков, затем провод скручиваем,
делаем отвод и в том же направлении мотаем остальные 20 витков. «+» блока
питания соединяем с отводом по середине, а «-» с «эмитером» у транзистора.
«Базу» и «коллектор» соединяем с оставшимися концами катушки.
Приемник
Приемный контур состоит из 25 витков провода 0,3-0,4мм.
Далее к контуру припаиваем диод SS14.
Все готово!
Фотография модели созданного устройства [Рис.6](приложение 3).
13
Заключение
Целью исследовательской работы было: практическим путем доказать
возможность создания универсального беспроводного зарядного устройства в
домашних условиях. Изучив материалы по данной теме, можно сказать, что
действительно, если поместить в магнитное поле проводник и перемещать его
так, чтобы он при своем движении пересекал силовые линии поля, то в
проводнике возникнет электродвижущая сила, называемая ЭДС индукции.
ЭДС индукции возникнет в проводнике и в том случае, если сам проводник
останется неподвижным, а перемещаться будет магнитное поле, пересекая
проводник своими силовыми линиями.
Если проводник, в котором наводится ЭДС индукции, замкнуть на какую-либо
внешнюю цепь, то под действием этой ЭДС по цепи потечет ток, называемый
индукционным током.
Как уже было сказано ранее, явление индуктирования ЭДС в проводнике при
пересечении
его
силовыми
линиями
магнитного
поля
называется
электромагнитной индукцией.
Электромагнитная индукция — это обратный процесс, т. е. превращение
механической энергии в электрическую.
Явление электромагнитной индукции нашло широчайшее применение в
электротехнике. На использовании его основано устройство различных
электрических
машин,
в
нашем
случае
для
создания
универсального
беспроводного зарядного устройства.
Проведение же эксперимента подтвердило возможность создания в домашних
условиях универсального беспроводного зарядного устройства.
В процессе работы были проведены:
 Анализ литературы и интернет ресурсов по данной теме;
14
 Изучение принципа работы зарядного устройства;
 Изучение физических законов использующихся в работе зарядного
устройства;
Самое основное-это то, что нами было создано и испытано универсальное
беспроводное зарядное устройство.
В заключение можно сказать, что проведение собственного эксперимента
несёт минимальные денежные затраты и приносит огромную моральную
удовлетворённость в осознании причастности себя к процессам, происходящим в
нашей науке. Благодаря выше перечисленному получился довольно солидный
результат, который в дальнейшем может пригодиться, как для практичного
использования в жизни, так и для создания исследовательских научных
проектов.
Беспроводные перспективы ведут нас дальше.
Сейчас уже можно с уверенностью утверждать, что технологии для
передачи электроэнергии на небольшие расстояния доросли до уровня,
позволяющего использовать их в серийно выпускаемых продуктах. Наиболее
очевидные преимущества перехода к использованию беспроводных зарядных
устройств —
устранение
спутанных
в
клубок
проводов
и
адаптеров,
оккупирующих все свободные розетки. Подзаряжать все (или почти все)
имеющиеся в доме гаджеты можно будет от одного универсального устройства.
Кроме того, беспроводные зарядные устройства гораздо удобнее и проще в
использовании — особенно с учетом возможности встраивания зарядных
планшетов в столешницы или полки. Благодаря этому даже самые забывчивые
пользователи будут значительно реже попадать в ситуацию, когда аккумулятор
мобильного
телефона
оказывается
полностью
разряженным
в
самый
неподходящий момент.
Помимо удобства беспроводные зарядные устройства обеспечат и более
высокий
уровень
безопасности
пользователей
по
сравнению
с
ныне
15
применяемыми проводными адаптерами. Благодаря отсутствию гальванической
связи практически полностью исключен риск повреждения зарядного устройства
из-за неисправности заряжаемого электронного прибора или неправильного
подсоединения кабеля. Кроме того, индуктивные планшеты можно сделать
влагозащищенными, что открывает широкие перспективы по их использованию
в транспортных средствах и даже в полевых условиях. Высокая влажность и
грязь не станут помехой для нормальной подзарядки.
Беспроводные зарядные устройства можно устанавливать не только дома
или на работе, но и в общественных местах. Например, встроенный в столик
кафе индуктивный планшет позволит подзарядить аккумулятор мобильного
телефона или КПК, пока его владелец обедает или отдыхает за чашечкой
кофе.[5]
Разумеется,
сопоставляя
показатели
эффективности
использования
электроэнергии проводных и беспроводных зарядных устройств, необходимо
учитывать одно немаловажное обстоятельство. Дело в том, что в реальных
условиях эксплуатации адаптеры зарядных устройств нередко остаются
постоянно включенными в розетку, а следовательно, потребляют ток даже тогда,
когда подзарядка не производится. Согласно подсчетам экспертов одного из
американских аналитических агентств, от 50 до 75% потребляемой проводными
зарядными устройствами электроэнергии расходуется в режиме холостого хода,
то есть на бесполезный нагрев собственного корпуса. Так что если разобраться,
то в этом смысле беспроводные зарядные устройства отнюдь не выглядят
аутсайдерами. К тому же универсальный зарядный планшет, применяемый для
подзарядки всего «мобильного зверинца», питается от одного адаптера. Таким
образом, даже если не отключать планшет от розетки каждый раз по окончании
подзарядки, потери в режиме холостого хода будут заметно меньше, чем при
использовании нескольких одновременно работающих адаптеров.
16
Чтобы беспроводные зарядные планшеты стали действительно универсальным
решением, производителям электронной техники необходимо договориться о
принятии
единого
индустриального
стандарта
беспроводных
зарядных
устройств и встраиваемых адаптеров для портативной техники. В противном
случае велика вероятность появления нескольких родственных, но не
совместимых между собой решений — и тогда о реальной универсальности
придется забыть. Хочется надеяться, что на этот раз производителям наконец-то
удастся не наступить очередной раз на эти грабли.
Выводом всей работы может служить перспектива, так как подготовка
стандарта идет полным ходом, и это позволяет с оптимизмом смотреть в
беспроводное будущее зарядных устройств.
17
Список литературы:
1. http://2a3a.ru/qi/
2. http://allhe.ru/publ/svoimi_rukami/ehlektronika/besprovodnaja_zarjadka_dlja_telefona_svo
imi_rukami/2-1-0-410
3. http://physics.kgsu.ru/index.php?id=218&option=com_content&view=article#q2
4. http://ency.info/materiya-i-dvigenie/elektrichestvo-i-magnetizm/447elektromagnitnaya-induktsiya
5. http://compress.ru/article.aspx?id=20424
18
Приложение 1.
Рис.1. Индукционная зарядка.
Рис.2 Опыт Фарадея
Рис.3. Опыт проводимый Фарадеем
19
Приложение 2
Рис.4. Опыт с кольцами
Рис.5.Схема зарядного устройства
20
Приложение 3
Рис.6.Фотография модели созданного устройства
21