Transmiterea Energiei Electrice Prin Tehnologia Wireless

Cuprins

Introducere

Cap.1. Noțiuni de bază și Elemente introductive folosite în tehnologia de transmitere a energiei electrice prin wireless

Electronul

1.1.1. Intercaționarea electronului

1.1.2. Mișcare și energie a electronului

1.2. Energia electrică și fenomenele fizice electrice

1.2.1. Sarcina electrică

1.2.2. Curentul electric

1.2.3. Câmpul electric

1.2.4. Potențial electric

1.2.5. Electromagneți

1.3. Magnetismul

1.3.1. Câmpul magnetic

1.3.1.1. Modelul de pol magnetic și câmp – H

1.3.1.2. Modelul de buclă Amperiană și câmpul – B

1.3.2. Câmpul electromagnetic

1.3.3. Inducția electromagnetică

Cap.2. Tehnologia de transmitere a energiei electrice prin wireless

2.1. Transferul wireless de putere prin definirea frecvențelor în circuitele cu rezonatoare

2.2. Witricity și modul de funcționare

Cap.3. Tehnici de transfer a energiei electrice în câmp apropiat

3.1. Rezonanța

3.1.1. Sistem cu rezonatori cuplați

3.2. Cuplaj magnetic resonant

3.3. Cuplaj inductiv resonant

Cap.4. Tehnici de transfer a energiei electrice în câmp îndepărtat

4.1. Transferul de energie electrică prin microunde

4.1.1. Antena de rectificare

4.1.2. Generator de microunde (Klystron

4.2. Transferul de energie electrică prin intermediul sateliților solari de putere

4.3. Transferul de energie electrică prin intermediul laserului

Cap.5. Aplicație

Cap.6. Aplicații ale tehnologiei de transfer a energiei electrice wireless

6.1. Utilizarea Tehnologiei Wireless în Medicină

6.2. Utilizarea Tehnologiei Wireless la Autovehiculele Electrice

6.3. Utilizarea Tehnologiei Wireless în securitatea națională

Concluzii

Bibliografie

Anexe

Anexa1. Căile electronilor în jurul nucleului………………………………………………pag. 11

Anexa2. Probabilitatea relative de a “găsii” electroni, având energia corespunzătoare numerelor cuantice date în acel moment……………………………………………………………………………………pag. 12

Anexa3. Radiația Brensstrahlung produsă de un electron deviat de un câmp electric al unui nucleu atomic…………………………………………………………………………………………………………pag. 13

Anexa4. Factorul Lorentz în funcție de viteză…………………………………………………………….pag. 15

Anexa5. Consumatorii casnici de energie electrică………………………………………………………pag. 17

Anexa6. Generarea, Transportul și Distribuția energiei electrice……………………………………pag. 17

Anexa7. Electroscop aur-frunză…………………………………………………………………………………pag. 19

Anexa8. Electroscop electronic………………………………………………………………………………….pag. 19

Anexa9. Arcul electric……………………………………………………………………………………………..pag. 21

Anexa10. Liniile de câmp care provin de la o sarcină pozitivă unui conductor plan………..pag. 22

Anexa11. Câmpul electrostatic………………………………………………………………………………….pag. 23

Anexa12. O pereche de baterii AA. Semnul + este polaritatea din dinferență de potențial între bornele bateriei………………………………………………………………………………………………………..pag. 26

Anexa13. Cercuri de câmp magnetic în jurul unui curent……………………………………………..pag. 27

Anexa14. Motorul electric al lui Faraday……………………………………………………………………pag. 28

Anexa15. Electromagnet de curent alternati (AC) pe statorul unui motor electric…………….pag. 29

Anexa16. Ierarhia tipurilor de magnetism…………………………………………………………………..pag. 30

Anexa17. Ordinea Antiferomagnetică………………………………………………………………………..pag. 32

Anexa18. Ordinea Ferimagnetică……………………………………………………………………………….pag. 32

Anexa19.Câmp magnetic al unui magnet cilindric cu axa de simetrie în planul imaginii…..pag. 33

Anexa20. Modelul de pol magnetic……………………………………………………………………………pag. 35

Anexa21. Modelul buclă Amperiană………………………………………………………………………….pag. 36

Anexa22. Unda de propagare Electromagnetică…………………………………………………………..pag. 36

Anexa23. Schema aparatului lui Faraday……………………………………………………………………pag. 39

Anexa24. Schema bloc a sistemului de transmitere a energiei electrice prin wireless……….pag. 44

Anexa25. Graficul cu cele patru conexiuni………………………………………………………………….pag. 51

Anexa26. O singură bobină sursă de alimentare care alimentează mai multe dispozitive….pag. 52

Anexa27. Sisteme de transfer de putere wireless de rezonanță înaltă………………………………pag. 53

Anexa28. Reprezentarea schematică a beneficiilor funcționale ale transferului de energie wireless bazat pe rezonatoare de frecvențe înalte…………………………………………………………pag. 54

Anexa29. Transferul de energie prin cuplaj de câmp magnetic între două bobine cu frecvență de rezonanță identice…………………………………………………………………………………………………….pag. 55

Anexa30. Rezonator…………………………………………………………………………………………………pag. 56

Anexa31. Circuit echivalent al sistemului cu rezonatori cuplați……………………………………..pag. 57

Anexa32. Eficiența optimă a transferului de energie în funcție de figura de merit U……….pag. 59

Anexa33.Circuitul echivalent al sistemului de transfer de putere fără circuit de reglaj……..pag. 60

Anexa34. Factorul de cuplare și golul de aer……………………………………………………………….pag. 62

Anexa35. Eficienta de transfer și graficele de frecvențe………………………………………………..pag. 62

Anexa36. Circuit echivalent în cuplaj inductiv-rezonant……………………………………………….pag. 63

Anexa37. Întregul circuit echivalent…………………………………………………………………………..pag. 64

Anexa38. Circuitul echivalent secundar……………………………………………………………………..pag. 65

Anexa39. Transferul de energie electrică prin microunde între două stații………………………pag. 66

Anexa40. Schema bloc funcțională a sistemului de transfer a energiei prin microunde…….pag. 67

Anexa41. Sistem de transmisie a energiei electrice prin microunde……………………………….pag. 68

Anexa42. Antena de rectificare…………………………………………………………………………………pag. 70

Anexa43. Sistem de transmisie a energiei în microunde bază-sol…………………………………..pag. 70

Anexa44. Klystron de mare putere…………………………………………………………………………….pag. 71

Anexa45. Tubul Klystron…………………………………………………………………………………………pag. 72

Anexa46. Sistemul energetic al sateliților solari de putere funcționabil………………………….pag. 73

Anexa47. Configurarea sistemului energetic-sateliți solari de putere și segmentele de sol..pag. 74

Anexa48. Diferite tipuri de sateliți solari de putere………………………………………………………pag. 75

Anexa49. Stație de recepție a sistemului energetic……………………………………………………….pag. 76

Tabelul1. Parametrii antenelor de transmisie a sateliților solari de putere……………………….pag. 77

Anexa50. Schema de principiu a unui laser ………………………………………………………………..pag. 78

Anexa51. Sistem de pompare solară direct prin laser cu transfer de 1GW……………………….pag. 79

Anexa52. Ieșiri spectrale a mai multor tipuride lasere………………………………………………….pag. 80

Anexa53. Exemple de aplicații wireless în domeniul medical………………………………………..pag.

Anexa54. Schema unui sistem în funcțiune de încărcare wireless…………………………………..pag.

Anexa55. Echipamente militare în acțiune, cu tehnologie wireless………………………………….pag.

Introducere

Una dintre cele mai mari probleme în sistemul de putere sunt pierderile care au loc în timpul transportului/distribuției de energie electrică. Cum zi de zi cererea de energie electrică este tot mai mare, crește și nevoia de a produce o cantitate mult mai mare de energie electrică dar tot odata cresc și pierderile de curent. Cantitatea cea mai mare de pierderi de energie electrică are loc în timpul transmisiei și distribuției. Procentul de pierderi de putere electrică în timpul transmisiei și distribuției este de aproximativ 26%. Principalul motiv pentru pierderea de energie electrică în timpul transmisiei și distribuției se datoreaza rezistenței firelor utilizate pentru grilă.[1]

Eficiența transmisiei de putere poate fi inbunătățită pentru un anumit nivel, prin utilizarea unui material compozit de inaltă rezistență pe conductorii principali și în subteran unde se folosesc cabluri care au un conductoricu rezistente la temperaturi ridicate. Dar , transmiterea este tot ineficientă. Conform Institutului de Resurse Mondiale (“World Resources Institute”), rețeaua electrică din India are cea mai mare pierdere de energie electrica în timpul transportului și distribuției din lume care este aproximativ de 27%. Numerele publicate de către diverse agenții guvernamentale Indiene, rotunjesc procentul de 27% în 30% – 40%, chiar si peste 40%. Aceste pierderi sunt atribuite pierderilor tehnice ( rețea ineficientă ) și furt. Orice problemă poate fi rezolvată cu ajutorul tehnologiilor de ultimă generație. Problema de mai sus poate fi rezolvată prin alegerea unei opțiuni de transmisie a energiei electrice alternative care are putea oferii o eficiență mult mai ridicată, costuri reduse de transport al energiei și evitaea furtului de energie electrică. Transmisia de putere electrică prin microundeeste una din tehnologiile promițătoare care ar putea fi cea mai eficientă in transmisia de energie electrică dar și cea prin inducție magnetică.[1]

În 1893, Nikola Tesla a demonstrat iluminarea becurile in vid, fără a utiliza fire de transmisie a puterii electrice la Expoziția Mondială Columbian în Chicago. Turnul Wardenclyffe a fost proiectat și construit de catre Tesla în principiu pentru transmiterea energiei electrice prin wireless și nu telegrafie.[1]

Turnul Wardenclyffe (inălțime de 187m)[1]

În 1904, un elicopter de dimensiuni mici, cu un motor de 0.1 cai putere, este pilotat datorită transmiterii de enegie electrică în spațiu de la o distanță de cel puțin 100 metri. În 1961, William C.[1] Brown a publicat un document care propune tehnologia de microunde energetice pentru a fi utilizată în procesul de transmitere a puterii electrice, iar în 1964 el a demonstrat această tehnologie prin construirea unui elicopter alimentat cu puterea electrică din microunde care primea toată puterea necesară pentru a zbura de la un fascicul de microunde la 2.45GHz, de la distanța de 2.4GHz – 2.5GHz banda de frecvență care este rezervată pentru aplicațiile din domeniile Industriale, Științifice și Medicpublicate de către diverse agenții guvernamentale Indiene, rotunjesc procentul de 27% în 30% – 40%, chiar si peste 40%. Aceste pierderi sunt atribuite pierderilor tehnice ( rețea ineficientă ) și furt. Orice problemă poate fi rezolvată cu ajutorul tehnologiilor de ultimă generație. Problema de mai sus poate fi rezolvată prin alegerea unei opțiuni de transmisie a energiei electrice alternative care are putea oferii o eficiență mult mai ridicată, costuri reduse de transport al energiei și evitaea furtului de energie electrică. Transmisia de putere electrică prin microundeeste una din tehnologiile promițătoare care ar putea fi cea mai eficientă in transmisia de energie electrică dar și cea prin inducție magnetică.[1]

În 1893, Nikola Tesla a demonstrat iluminarea becurile in vid, fără a utiliza fire de transmisie a puterii electrice la Expoziția Mondială Columbian în Chicago. Turnul Wardenclyffe a fost proiectat și construit de catre Tesla în principiu pentru transmiterea energiei electrice prin wireless și nu telegrafie.[1]

Turnul Wardenclyffe (inălțime de 187m)[1]

În 1904, un elicopter de dimensiuni mici, cu un motor de 0.1 cai putere, este pilotat datorită transmiterii de enegie electrică în spațiu de la o distanță de cel puțin 100 metri. În 1961, William C.[1] Brown a publicat un document care propune tehnologia de microunde energetice pentru a fi utilizată în procesul de transmitere a puterii electrice, iar în 1964 el a demonstrat această tehnologie prin construirea unui elicopter alimentat cu puterea electrică din microunde care primea toată puterea necesară pentru a zbura de la un fascicul de microunde la 2.45GHz, de la distanța de 2.4GHz – 2.5GHz banda de frecvență care este rezervată pentru aplicațiile din domeniile Industriale, Științifice și Medicale (ISM).[1] Experimente în transmisie a puterii, fără fire, în intervalul de zeci de kilowați au fost efectuate la Goldstone în California, în anul 1975 și la Grand Bassin pe Insula Reunion în 1997. Primul experiment al Transmiterii de Putere prin Microunde (TPM) în ionosferă numit MINIX ( Microunde în Ionosfera non-liniară de Interactiune), experimentul rachetă este demonstrat în 1983 în Japonia. Ceva similar, a fost primul avion fără combustibil din lume, alimentat cu energie din microunde de pe teren a fost raporta în 1987 în Canada. Acest sistem este numit SHARP ( Staționare înaltă – Platformă cu Releu de altitudine). Japonia a propus încărcarea electrică prin wireless a autovehiculelor prin transmiterea puterii electrice din microunde, în 2004. O companie nouă, Powercast, a introdus o nouă metodă a tranferului de enrgie prin wireless, folosind energie de Frecvență de Rezonanță (RF) la Simpozionul Consumer Electronics din 2007.[1

Cap.1.

Noțiuni de bază și Elemente introductive folosite în Tehnologia de transmitere a energiei electrice prin Wireless.

1.1.Electronul

Electronul (simbolizat e-) este o particulă subatomică, cu o sarcină electrică negativă elementară. Electronii fac parte din prima generație a familiei de particule leptoni, și sunt în general considerate a fi particule elementare, deoarece acestea nu au cunoscut componente externe sau substructuri.[2] Electronul are o masă care este aproximativ 1/1836, decat al protonului. Proprietățile Mecanicii cuantice ale electronului includ un moment unghiular intrinsec (rotire) cu o valoare pe jumatate a numărului întreg în unități de h, ceea ce înseamnă că aceasta este un fermion. Fiind fermioni, doi electroni nu pot ocupa aceeași stare cuantică, în conformitate cu principiul de excluziune al lui Pauli. Electronii au, de asemenea, proprietăți ale celor doua particule si unde, și astfel se pot ciocni cu alte particule și pot fi difractate ca o lumină. Experimentele cu electroni demonstrează cel mai bine această dualitate, deoarece electroni au o masă mică. Multe fenomene fizice implică electroni într-un rol esențial, cum ar fi electricitatea, magnetism și conductivitatea termică, și participă, de asemenea, în interacțiunile gravitaționale și electromagnetice. Un electron în spațiu generează un câmp electric care îl înconjoară.[2]

Fig.1. Căile electronilor în jurul nucleului[2]

Un electron se deplasează în raport cu un observator care generează un câmp magnetic. Câmpurile magnetice externe deviază alți electroni. Electronii radiază sau absoarbe energie sub forma de fotoni atunci când este accelerat. Electronii au multe aplicații, inclusiv în electronică, sudură, tuburi catodice, microscoape de electroni, radioterapia, lasere, detectoare de ionizare de gaz și acceleratoare de particule.[2]

În mecanica cuantică, comportamentul unui electron într-un atom este descrisă de o orbită, care este o distribuție de probabilitate, mai degrabă decat o orbită.[2]

Fig.2. Probabilitatea relativă de a “găsii” electroni, având energia corespunzătoare numerelor cuantice date în acel moment.[2][3]

1.1.1. Interacționarea electronului

Un electron generează un câmp electric care exercită o forță de atractie asupra unei particule cu o sarcină pozitivă, cum ar fi protonul, și o forță de respingere asupra unei particule cu o sarcină negativă. Punctul forte al acestei forțe este determinat prin Legea lui Coulomb a patratului invers[3]:

Atunci când un electron este în mișcare, el generează un câmp magnetic.Legea Ampère-Maxwell se referă la câmpul magnetic în mișcarea masei de electroni (curentul) în raport cu un observator. Această proprietate de inducție furnizează câmpului magnetic care produce functionarea unui motor electric. Când un electron se mișcă printr-un cțmp magnetic, acesta este supus la forța Lorentz care exercită o influență într-o direcție perpendiculară pe planul definit de câmp magnetic și velocitatea electronului.[3] Această forță centripedă face ca electronul să urmeze o traiectorie elicoidală prin domeniul la o rază numită rază de girație. Accelerația de la acestă mișcare în curbă induce electronul să radieze energie sub forma de radiații sincrotron. Emisia de energie, provoacă un recul al electronului, cunoscut sub numele de Abraham-Lorentz-Forța Dirac, care creează o frecare și incetinește electronul. Acestă forță este cauzată de o reacție-întoarsă din propriul câmp și intors asupra lui.[3] Fotonii mediază interacțiunile electromagnetice dintre particulele din electrodinamica cuantică. Un electrod izolat la o viteză constantă nu poate emite sau absoarbe un foton real; acest lucru ar încălca conservarea a energiei și a impulsurilor. În schimb fotoni virtuali pot transfera impulsuri între două particule încarcate. Acest schimb de fotoni virtuali, generează forța lui Coulomb. Emisia de energie poate avea loc atunci când un electron în mișcare este deviat de către o particulă încărcată, cum ar fi un proton. Accelerația electronului rezultă în emisia de Bremsstrahlung.[3]

1.1.2. Mișcare și energie a electronului

Conform teoriei relativității speciale a lui Einstein, viteza unui electron se apropie de viteza luminii, din punctul de vedere al acestuia, masa relativistă crește, făcând astfel mult mai greu să-l accelereze din cadrul observatorului de referință.[4] Viteza unui electron se poate apropia, dar nu ajunge niciodată, la viteza luminii în vid “c”. Cu toate acestea, atunci când electronii relativiști, care sunt, electronii ce se deplasează cu o viteză aproape de „c”, cea injectată în mediul dielectric, cum ar fi apa, atunci când viteza locală a luminii este semnificativ mai mică decat “c”, electronii călătoresc temporar mai repede decât lumina în mediu. Pe măsură ce interacționează cu mediul, ele generează o lumină slabă numita Radiații Cerenkov.[4]

Efectele relativității speciale sunt bazate pe o cantitate cunoscută ca factor Lorentz, definită

unde “v” este viteza particulei. Energia cinetică (Ke) a unui electron se deplasează cu viteza v, care este:

unde “me” este masa de electroni. De exemplu, acceleratorul liniar Stanford poate accelera un electron la aproximativ 51 GeV (gigaelectron volt). Din moment ce un electron se comport ca o undă, la o anumită viteză, devine Unda carcateristică Broglie. Aceasta este data de unde “h” este constanta Plank și “p” este impulsul. Pentru electronul de 51GeV, lungimea de undă este aproximativ de 2.4×10-17m, suficient de mic pentru a explora structuri mult sub dimensiunea unui nucleu atomic.[4]

Mișcarea Browniană este mișcarea haotică a particulelor (electronilor) în suspensie într-un fluid care rezultă din coliziunea lor cu atomiii rapizi sau molelculele de gaz sau lichid. Termenul de mișcarea browniană se poate referi , de asemenea, la modelul matematic folosit pentru a descrie astfel de mișcări aleatorii, care sunt adesea numite un Theor de particule.[4]Mișcarea browniană este printre cele mai slabe stocabile în timp-continuu (sau probabilistic) procesele, iar acesta este o limită ale ambelor procese stocastice mai simple și mai complicate. Această universalitate este strâns legată de universalitatea distribuției normale.[4]

Fig.4.Factorul Lorentz în funcție de viteză (se porneste de la 1 și merge spre infinit în timp ce “v” se apropie de “c”).[4]

1.2. Energia electrică și fenomenele fizice electrice

Energia electrică este un set de fenomene fizice asociate cu prezența și fluxul de sarcină electrică. Electricitatea oferă o mare varietate de efecte bine-cunoscute, cum ar fi fulgerul, electricitatea statică, inducșia electromagnetică și curentul electric.[5] În plus, permite crearea de electricitate și recepționarea radiațiilor electromagnetice, cum ar fi undele radio. În sectorul energiei electrice, sarcinile electrice produc câmpuri electromagnetice care acționeaza asupra altor sarcini electrice. Electricitatea apare ca urmare a mai multor tipuri de fenomene fizice:

Sarcină electrică: este o proprietate a unor particule subatomice, care determină intercațiunile campurilor electromagnetice. Sarcina electrică este influențată de o materie, care produce, câmpuri electromagnetice.[5]

Câmpul electric: este un câmp electromagnetic deosebit de simplu, produs de o sarcină electrică chiar și atunci când nu există mișcare (ex: nu există nici un curent electric). Câmpul electric o forță asupra altor sarcini electrice în vecinătatea sa.[5]

Potențial electric:este capacitatea unui câmp electric funcționează pe o sarcină electrică, și este măsurată în volți [V].[5]

Curentul electric: este o mișcare sau flux de particule încărcate electric, se măsoară de obicei în amperi [A].[5]

Electromagneți: sarcinile electrice în mișcare produc un câmp magnetic. Curenții electrici generează câmpuri magnetice, și schimbarea câmpurilor magnetice generează curent electric.[5,6]

În inginerie electrică, energia electrică este utilizată:

Energie electrică în care curentul electric este folosit pentru a alimenta echipamente electrice.[5,6]

Electronică care se ocupă cu circuite electrice care implică componente electrice active, cum ar fi tuburi vidate, tranzistori, diode și circuite integrate, și tehnologii de interconectare pasive.[5,6]

Fenomenele electrice au fost studiate încă din antichitate, deși progresele în înțelegerea teoretică a rămas în ceață până în secolele XVII și XVIII. Chiar și atunci, aplicații practice de energie electrică au fost puține, dar în secolul al XIX-lea, inginerii au reușit să-l integreze în industrie și în locuințele rezidențiale.Expansiunea rapidă a tehnologiei electrice în acest moment a transformat si evoluat domeniul industriei și cea a societății.Versatilitatea energiei electrice înseamnă că poate fi pusă la un set aproape nelimitat de aplicații care include transportul, încălzirea, iluminat, comunicații indepărtate, și domeniul de calcul. Energia electrică este în present “coloana vertebrală” a societății industriale moderne.[6]

Fig.5.Consumatorii casnici de energie electrică[6]

Fig.6.Generarea, Trasnportul și Distribuția energiei electrice[6]

1.2.1. Sarcina electrică

Prezența sarcinii electrice[C] dă naștere la o forță electrostatică: sarcinile exercită o forță pe fiecare parte, un efect care a fost cunoscut dar nu a fost înțeles în totalitate în antichitate. Se poate considera o bilă suspendată dintr-un șir, care poate fi încărcată prin atingerea bilei cu o baghetă de sticlă care a fost supusă unei frecări de un material din stofă.[7] Dacă o bilă similară este încărcată de aceeași baghetă de sticlă, se va respinge, sarcina care acționeazăpentru a forța cele două bile în afară. Două bile care sunt încărcate cu o baghetă de chihlimbar frecat, de asemnea, se vor respinge reciproc.[7] Cu toate acestea, în cazul în care o bilă este perceputăde bagheta de sticlă, iar cealaltă bilă de o tija de culoarea chihlimbarului, cele două bile se vor atragereciproc. Aceste fenomene au fost investigate în secolul al XVIII-lea de către Charles-Augustin de Coulomb, care a dedus că această sarcină se manifestă în două forme opuse. Această descoperire a dus la buna cunoscută axiomă: “Obiectele cu aceeași sarcină se resping, iar Obiectele cu sarcini opuse se atrag”.[7]

Forța acționează asupra particulelor încărcate în sine, prin urmare, sarcina are o tendință de a se răspândi la fel de uniform posibil pe o suprafață conductoare.[7] Magnitudinea de forță electromagnetică, atractivă sau de repulsie, este data de Legea lui Coulomb, care se referă la produsul de sarcină și are o relație invers-pătratică între distața dintre ele. Forța electromagnetică este foarte puternică, al doilea în putere către interacțiunea puternică, dar, spre deosebire de faptul că forțaîși desfășoară activitatea pe toate distanțele, în comparative cu forța gravitațională care este mult mai slabă; forța electromagnetică împinge doi electroni în afară este de 1042 de ori cea a atracției gravitațională, trăgândule împreună.[7]

Studiul a arătat că originea de sarcină provine de la anumite tipuri de particule subatomice care au proprietatea de sarcină electrică. Sarcina electrică dă naștere la interacționarea cu forțaelectromagnetică, una dintre cele patru forțe fundamentale ale naturii. Cei mai cunoscuți transportatori de sarcină electrică sunt electronul și protonul.[7] Injectarea cu sarcină electrică în electroni și protoni este opus în semn, prin urmare, o sumă de sarcină electrică poate fi exprimată ca fiind fie negativă sau pozitivă. Prin convenție, sarcinile electrice transportate de către electroni sunt considerate negative, iar cei de protoni sunt pozitive, un obicei care își are originea în activitatea lui Benjamin Frabklin.[7] Cantitatea de sarcină eelctrică este dată de simbolul “Q” si se exprimă în coulombi; fiecare electron poarta aceeași sarcină aproximată -1.6022 x 10-19 coulombi [C]. Protonul are o sarcină care este egală și opusă, astfel sarcina este +1.6022 x 10-19 coulombi [C]. Sarcina electrică nu este posedată numai de materie, dar și de antimaterie, fiecare purtând o sarcinp egală și opusă a particulelor sale corespunzătoare.[7]

Sarcina electrică poate fi măsurată de către un număr de mijloace, un instrument învechit numit, electroscopul aur-frunză, care, deși încă se folosește pentru demonstrații la clasă, a fost înlocuit de electrometru electronic.[7]

Fig. 7. Electroscop aur-frunză[7]Fig.8. Electroscop electronic[7]

1.2.2. Curentul electric

Mișcarea unei sarcini electrice este cunoscută ca un curent electric, intensitatea care este de obicei măsurată în Amperi. Curentul este constituit din particule încărcate care se află în mișcare, cei mai frecvenți sun electronii, dar orice sarcină în mișcare constituie un curent.[7]

Prin convenția istorică, un curent pozitiv este definit ca având aceeași directive de curgere ca orice sarcină poizitivă care o conține, sau să curgă de la partea cea mi pozitivă a unui circuit de la partea cea mai negative. Curentul definit în acest mod se numește curent conventional. Mișcarea de electroni încărcați negativ în jurul unui circuit electric, una dintre cele mai cunoscute forme de curent, sunt deci pozitivi în direcția opusă celei a electronilor. Cu toate acestea, în funcție de condiții, un curent electric poate fi compus dintr-un flux de particule încărcate în orice directive, sau chiar în ambele direcții în același timp. Convenția pozitiv-la-negativ este utilizată pe scară largă pentru a simplifica această situație. [7]

Procesul prin care curentul electric trece printr-un material se numește conducție electrică, iar natura sa variază în funcție de particulele încărcate și a materialelor prin care aceștia se deplasează.[7] Exemple de curenți electrici includ conducere metalică, în cazul în care fluxul de electroni trece printr-un conductor, cum ar fi metalul și electroliza, unde ioni (atomi încărcați) curg prin lichide, sau prin plasma, cum ar fi scântei electrice. În timp ce particulele se pot deplasa destul de lent, uneori cu o viteza medie de alunecare, doar câteva fracțiuni de milimetru pe secundă, câmpul electric pe care le conduce, se propagă aproape de viteza luminii, care să permit semnalele electrice pentru a trece rapid de-a lungul firelor.[7]

Curenul produce mai multe efecte observabile, care în istorie au fost mijloacele de recunoaștere a prezenței sale. Apa ar putea fi descompusă de către curentul electric de o sumă voltaică, descoperită de către Nicholson și Carlisle în 1800, un process de acum cunoscut sub numele de elecroliză.[7] Munca lor a fost extinsă foarte mult de Michael Faraday în 1833. Acum, curentul care trece printr-o rezistență cauzează o încălzire, un effect care James Prescott Joule la studiat mathematic în anul 1840. Una dintre cele mai importante descoperiri legate de curent a fost făcută accidental de către Hans Chirstina Ørsted în 1820, cînd, în timp ce pregătea o prelegere, el a observat ca un curent care trecea printr-o sîrmă a creat o distorsiune asupra unui compass magnetic. [7]

El a descoperit atunci electromagnetismul, o interacțiune fundamentală între electricitate și magnetism. Nivelul emisiilor electromagnetice generate de un arc electric, este suficient pentru a produce interferențe electromagnetice, care poate fi dăunătoare echipamentelor adiacente. [7]

În inginerie sau aplicațiile casnice, curentul este adesea descris ca fiind fie curent continuu (c.c.), sau curent alternative (c.a.). Acești termini se referă la modul în care curentul variază în timp.[7]Curentul continuu, este produs de exemplu de la o baterie, care este necesară la majoritatea dispozitivelor electronice, este un flux unidirectional de la partea pozitivă a unui circuit la partea negative. Dacă, așa cum este cel mai probabil, acest flux este purtat de electroni, atunci ele se va deplasa în direcția opusă.[7]Curentul alternativeste curentul care inversează direcția în mod repetat; aproape întotdeauna aceasta i-a forma de undă sinusoidală. Curentul alternativ astfel pulsează înainte și înapoi într-un conductor fără o sarcină în mișcare, la orice distanță de-a lungul timpului. Valoarea medie de timp a unui curent alternativ este 0, dar acesta oferă energia într-o direcție mai întâi și apoi invers. Curentul alternativ este afectat de proprietățile electrice care nu sunt observate în stare de echilibru a curentului continuu, cum ar fi inductanța și capacitatea. Aceste proprietăți pot devein importante atunci când este supus la circuitele tranzitorii.[7]

Fig.9. Arcul electric[7]

1.2.3 Câmpul electric

Conceptul al câmpului electric a fost introdus de către Michael Faraday. Un câmp electric este creat de către un organism încărcat în sapțiul pe care-l înconjoară, și rezultă o forță exercitată pe oricare sarcină plasată în camp.[7] Câmpul electric acționează între două sarcini într-un mod similar precum si câmpul gravitational acționează între doup mase, și care, se extinde spre infinit și arată relația pătratului invers cu distanța. Cu toate acestea, există o diferență importantă. Gravitația acționează întotdeauna în atracție, trăgând două mase impreună, față de câmpul electric care poate duce la, fie la atrație sau repulsie. Deoarece corpurile mari, cum ar fi planetele, nu transportă sarcini electrice, iar câmpul electric de la o distanță semnificativă între ele, este de obicei zero. Astfel, gravitația este forța dominantă la distanță în univers, în ciuda faptului că este mult mai slabă.[7]

Fig.10.Liniile de câmp care provin de la o sarcină pozitivă unui conductor plan[7]

Uncâmp electric variază în general în spațiu, iar capacitatea acestuia din orice punct este definite ca forță (pe unitate de sarcină), care ar fi simțită printr-o sarcină staționară, neglijabilă dacă este introdusă în acel moment. Sarcina conceptuală, numită un “test de sarcină”, trebuie să fie foarte mică pentru a prevenii propriul câmp electric de a distorsiona principalul câmp și trebuie să fie, de asemenea, staționar, pentru a prevenii efectul de câmpuri magnetice. Deoarece câmpul electric este definit în termeni de forță, iar forța este un vector, astfel încât rezultă că un câmp electric este, de asemenea, un vector, care au ambele mărimi și direcție. Mai precis acesta este un Câmp Vectorial.[

Studiul de câmpuri electrice create de sarcini de staționare este numită electrostatică. Câmpul poate fi vizualizat printr-un set de linii imaginare a căror direcție este acceași cu cea a câmpului. Acest concept a fost introdus de Faraday, al cărui termen este “linii de forță”. Liniile de câmp sunt căile pe care o sarcină pozitivă ar încerca să facă așa cum a fost forțată să se miște în câmp; ele sunt totuși un concept imaginar, cu nici o existență fizică, iar câmpul pătrunde în tot spațiul care intervine între linii.[7] Liniile de câmp care provin din sarcinile de staționare au mai multe proprietăți importante:

În primul rând, că acestea provin din sarcinile pozitive și termină la sarcinile negative;

În al doilea rând, că ei trebuie să intre în orice conductor bun în unghi drept;

În al treilea rând, că ei nu pot trece și nici nu se pot închide pe ei înșiși.

Fig.11.Câmpul Electrostatic[7]

Câmpul electrostatic (linii cu săgeți), a unei sarcini positive din apropiere (+) determină sarcinile mobile din obiecte conductoare să se separe din cauza inducției electrostatice. Sarcinile negative (albastre) sunt atrase și trece la suprafața obiectului cu care se confruntă sarcina externă. Sarcinile positive (roșii)sunt respinse și trece la suprafață. Aceste sarcini induse de suprafață sunt exact mărimea potrivită și forma, așa că, câmpul electric opus, anulează câmpul electric al sarcini electrice externe în interiorul metalului. Prin urmare, câmpul electrostatic care există în interiorul unui obiect conductor este zero, iar potențialul electrostatic este constant. [7]

Liniile de câmp electric sunt utile pentru vizualizarea câmpului electric.Liniile de camp încep de la o sarcină pozitivă și se termină pe sarcină negative, și sunt paralele cu direcția câmpului electric. Densitatea liniilor de camp electric este o măsură a magnitudinii câmpului electric în orice punct dat. Câmpul electric (unități de volți pe metru) este un camp vectorial care poate fi definit peste tot, cu excepția la locul sarcini punctiforme (în cazul în care diverge la infinit). Este convenabil de a plasa o sarcină de test ipotetic la un punct. Prin legea lui Coulomb, acestă sarcină test va experimenta o forță care poate fi utilizată pentru obținerea câmpului electric în continuare.[7]

unde este permeativitatea în vid sau în spațiu:

pentru efectuarea testului de sarcină, o sa întâmpinăm o forță care va ajuta la definirea câmpului electric:

(1.5.)

Considerând o coleție de N particule de sarcină Qi, localizată în punctele (numit punctul de sursă), câmpul electric la (numit punctul de câmp) este:

(1.6.)

unde , este vectorul de deplasre dintr-un punct sursă până la punctul de câmp, și este un vector unitate care indică direcția câmpului. Pentru o singură încărcare a punctului de origine, magnitudinea acestui câmp electric este și indică distanța de la care sarcina este pozitivă. Faptul că forța poate fi calculată prin însumarea peste toate contribuțiile datorate particulelor sursă individuale este un exemplu al principiului superpoziției.[7]

Câmpul electric produs de o distribuție a sarcinilor este dat de densitatea de sarcină de volum , poate fi obținut prin transformarea acestei sume într-o integrală triplă:

(1.7.)

Principiile de electrostatică sunt importante atunci când se proiectează echipamente de înaltă tensiune. Există o limită finită pentru intensitatea câmpului electric care poate fi rezistent în orice mediu. Dincolo de acest punct, defalcarea electrică are loc și un arc electric produce o conturnare între părțile încărcate.[7]Aerul, de exemplu, susține arcul peste lacune mici la intensitatea câmpului electric care depășește 30KV/cm. Peste lacune mari, puterea este mai slabă, probabil de 1kV/cm. Apariția naturală cea mai vizibilă a acesteia este fulgerul, provocat atunci când sarcina devine separată în nori din cauza creșterii coloanelor de aer, și ridică câmpul electric în aer la o înalțime la care nu poate rezista. Tensiunea a unui fulger poate fi la fel de mare ca 100MV și au energii de descărcare le fel de mare ca 250KWh.[7]

1.2.4. Potențialul electric

Conceptul de potențial electric este strâns legată de cea a câmpului electric. O mică sarcină plasată într-un câmp electric prezintă o forță, și pentru a aduce această sarcină la cel punct împotriva forței necesotă muncă. Potențialul electric în orice punct este definit ca energia necesară pentru a aduce o unitate de sarcină de testare de la o distanță infinită la acel punct.[8] Acesta este, de obicei, măsurată în volți [V], și un volt este potențialul pentru un Joule, care acesta trebuie expandat pentru a aduce o sarcină de un coulomb din infinit. Aceatsă definiție de potențial, în timp ce oficial, are puține aplicații practice, și un concept mai util este acela al diferenței de potențial electric și este energia necesară pentru a deplasa o unitate de sarcină între două puncte date.[8] Un câmp electric are proprietatea specială de conservator, ceea ce înseamnă că, calea aleasă de sarcină este irelevantă: toate căile între două puncte specifice se expandează aceeați energie, și, prin urmare, o valoare unică pentru diferență de potențial poate fi declarată. Volt-ul este atât de puternic identificat ca unitate de alegere pentru măsurarea și descrierea a diferenței de potențial electric, și termenul de volt cuprinde pe zi ce trece o utilizzare mult mai mare.[8]

Pentru motive practice, este util să se definească un element de referință comună la care potențialele pot fi exprimate și comparate. În timp ce acest lucru ar putea fi la infinit, o referință mult mai utilă este Pământul în sine, care se presupune a fi la același potențial de pretutindeni. Acest punct de refeință preia numele de pamânt sau sol. Pământul se presupune a fi o sursă infinită de cantității egale de sarcină pozitivă și negativă, și este, prin urmare neîncărcat și neîncărcabil.[8]

Potențialul electric este o cantitate scalară, deoarece, ea are numai mărime și nu are direcție. Acesta poate fi privit ca analog la înălțime: la fel ca un obiect eliberat va cădea printr-o diferență de înălțimi cauzate de un câmp gravitațional, deci o sarcină va cădea la tensiunea cauzată de un câmp eelctric. În harțile de relief arată linile de contur, puncte de înălțime egală, un set de linii de puncte de potențial egal, poate fi mișcat în jurul unui obiect încărcat electrostatic.[8] Trebuie să se afle, de asemenea, paralel cu suprafața unui conductor, astfel aceasta ar produce o forță care se va muta purtătorilor de sarcină pentru a uniformiza potențialul suprafeței. Câmpul electric a fost definit formal ca o forță exercitatp pe unitate de sarcină, dar conceptul de potențial permite o definiție mai utilă și echivalentă: “Câmpul electric este gradientul local a potențialului electric”. De obicei exprimat în volți pe metru [V/m], direcția vectorului câmpului este linia de cea mai mare pantă de potențial, și unde se află cele mai apropiate echipotențiale.[8]

Fig. 12. O pereche de baterii AA

Semnul (+) indică polaritatea din diferența de potențial între bornele bateriei.[8]

1.2.5. Electromagneți

Descoperirea lui Ørested în 1821 că un câmp megnetic a existat în jurul tuturor parților al unui fir care transportă un curent electric a indicat că există o relție directă între electricitate și magnetism. Mai mult decât atât, interacțiunea părea diferit de forțele gravitaționale și electrostatice, cele doua forțe ale naturii pe atunci cunoscute. Forța de pe acul busolei nu a direcționat către sau departe de firul de curent electric, dar a acționat în unghi drept. În momentul când Ørested a observat el a zis “Conflictul electric acționează într-o manieră de tip revolving”.[9] Forța de asemenea, depinde de direcția curentului, pentru că în cazul în care debitul a fost inversat, apoi și forța a facut la fel.

Fig.13.Cercuri de câmp magnetic în jurul unui curent.

(Câmpul este orientat în funcție de regula mâini drepte.)[9]

Această relație între câmpurile magnetice și curenți este extrem de importantă, pentru că a dus la invenția lui Michael Faraday și anume Motorul electric în 1821. Motorul homopolar al lui Faraday a constat dintr-un magnet permanent așezat într-un bazin de mercur. Un curent a fost permis printr-un fir suspendat de un pivot deasupra magnetului și cufundat într-un mercur. Magnetul exercita o forță tengențială pe sârmă, ceea ce face un cerc în jurul magnetului atâta timp cât exista curent.[9,10]

Un experiment al lui Faraday în 1831 a arătat că un fir se deplasează perpendicular pe un câmp magnetic, a dezvoltat o diferență de potențial între capetel sale. O anliză suplimentară a acestui proces, cunoscut sub numele de inducție electromagnetică, iar acest lucru i-a permis să precizeze principiul cunoscut sub numele de legea lui Faraday de Inducție: ”Diferența de potențial indus într-un circuit închis este proporțională cu rata de schimbare a fluxului magnetic prin buclă”.[9,10] Cu această descoperire, Farday a reușit sa inventeze în 1831 generatorul electric, în care el a transformat energia mecaniă a unui disc rotativ de cupru în energie electrică. Discul lui Faraday a fost inefficient și de nici un folos pentru generatorul, dar el a arătat posibilitatea de generare a energiei electrice cu ajutorul magnetismului.[9,10]

Fig.14.Motorul Electric al lui Faraday

(Motorul electric exploateazăun efect important al electromagnetismului: un curent printr-un câmp magnetic trece printr-o forță în unghi drept atât pe câmp cât și curent.)[10,11]

Câmpul magnetic creat de un electromagnet este proporțional cu atât numărul de spire ale înfășurării, N, și curentul din fire, I, deci acest produs, NI, în amperi-spire, este cunoscut sub numele de magnetomotor.[10,11,12] Pentru un electromagnet cu un singur circuit magnetic al cărui lungime Lmiez a căii de câmp magnetic este în materialul miezului și lungimea Lgol este în spații cu aer, legea lui Ampère reduce la:

(1.8.)

(1.9.)

unde

(1.10.)

este permeabilitatea de spațiu liber (aer), reținem că A, în acestă definiție este Amperi.[11,12]

Acesta este o ecuație neliniară, deoarece permeabilitatea miezului, μ, variază în funcție de câmpul magnetic B. Pentru o soluție exactă, valoarea μ, la valoarea B trebuie să fie obținută din curba de histerezis a materialului de bază.[12] Dacă B este cunoscută, ecuația trebuie să fie rezolvată prin metode numerice. Cu toate acestea, dacă forța magnetomotoare este mult peste saturație, astfel încât materialul de bază este în saturație,câmpul magnetic va fi de aproximativ Bsat, valoarea de saturație a materialului, și nu va varia mult cu modificări în NI. Pentru un circuit magnetic închis (fără gol de aer), cele mai multe materiale de bază saturate la o forță magnetomotoare de aproximativ 800 Amperi-spire pe metru pe calea fluxului.[12]

Fig.15.Electromagnet de curent alternativ (AC) pe statorul unui motor electric.[12]

1.3. Magnetismul

influențate într-o oarecare măsură,d e un câmp magnetic. Cel mai puternic efect este pe magneții permanenți, care au momente magnetice persistente cauzate de feromagnetism. Cele mai multe materiale nu au momente permanente. Unele materiale sunt atrase de un câmp magnetic (paramagnetism); altele sunt respinse de către un câmp magnetic (diamagnetism); altele au o relație mult mai complexă, cu un câmp magnetic aplicat (comportament sitclă de spin și antiferomagnetsim). Substanțele care sunt neglijabil afectate de câmpuri magnetice sunt cunoscute ca substanțe nemagnetice. Acestea includ cupru, aluminiu, gaze și material din plastic. Oxigenul pur prezintă proprietăți magnetice atunci când se răcește la o stare lichidă.[13]

Starea magnetică (fază) a unui material depinde de temperatură (și alte variabile, cum ar fi presiunea și câmpul magnetic aplicat), astfel încât un material poate prezenta mai mult de o formă de magnetism în funcție de temperatura acestuia, etc…[13]

Fig. 17. Ordinea Antiferomagnetică[13]Fig.18.Ordinea Ferimagnetică[13]

1.3.1.Câmpul magnetic

Un câmp magnetic este o descriere matematică a influenței magnetice produsă de curenți electrici și materialele magnetice. Câmpul magnetic în orice punct dat este specificat atât de direcție și o mărime (sau putere). Ca atare, este un câmp vectorial. Termenul este folosit pentru două domenii distincte, dar strâns legate și notate cu simbolurile B și H, care sunt măsurate în unități Tesla și Amperi pe metru respectiv notate în SI. B este cel mai frecvent definit din punct de vedere al forței Lorentz, exercitată pe mișcarea sarcini electrice.[14]

Câmpurile magnetice sunt produse prin deplasarea sarcinilor electrice și momentele magnetice intrinseci ale particulelor elementare asociate cu o proprietate cuantică fundamentală de învârtire. În teroria relativității restrânse, câmpurile electrice și magnetice sunt două aspecte interdependente ale unui singur obiect, numit tensorul electromagnetic; împărțirea acestui tensor în câmpuri electrice și magnetice depinde de viteza relativă a observatorului și sarcini. În fizica cuantică, câmpul electromagnetic este cuantificat și interacțiunile electromagnetice rezultă din schimbul de fotoni.[14]

Câmpurile magnetice sunt utilizate pe scară largă în întreaga tehnologie modernă, în special în inginerie electrică și electromecanică. Pământul produce propriul câmp magnetic, ceea ce este important în navigație. Câmpuri magnetice rotative sunt utilizate în ambele motoare electrice și generatoare. Forțele magnetice oferă informații despre purtătorii de sarcină dintr-un material prin efectul Hall. Interacțiunea câmpurilor magnetice în dispozitive electrice, cum ar fi transformatoarele, este studiat în disciplina Circuitelor Magnetice.[14]

Fig.19.Câmp magnetic al unui magnet cilindric cu axa de simetrie în planul imaginii[14]

Câmpul magnetic B și H în interiorul si exteriorul unui material se definiște:

(1.11.)

unde cantitatea este numită polarizare magnetică.

În vid:

(1.12.)

unde este permeabilitatea în vid.

În cazul în care câmpul H este mic, răspunsul M de magnetizare într-un diamagnet sau paramagnet este aproximativ liniar:

(1.13.)

constanta de proporționalitatea fiind numită susceptibilitatea magnetică. Daca este așa, atunci:

(1.14.)

într-un magnet tare cum ar fi feromagnetul, M nu este proporțional cu câmpul și în general este diferit de zero, chiar atunci H este zero.[14]

1.3.1.1.Model de pol magnetic și câmp-H

Uneori este util pentru a modela forța și cuplurile între doi magneți ca urmare a polilor magnetici care se resping și se atrag reciproc în acelsă mod ca și forța Coulomb dintre sarcinile electrice.[14] Acesta se numește modelul Gilbert de magnetism, dupa William Gilbert. În acest model, un câmp magnetic H este produs de sarcini magnetice care sunt “unse” în jurul fiecărui pol. Câmpul H, prin urmare, este analog câmpului electric E, care începe de la o sarcină electrică pozitivă și se termină la o sarcină electrică negativă. În modelul polului magnetic, dipolul elementar magnetic “m” este format de către doi poli magnetici opuși rezistenței polului separat printr-o distanță mică “d” vector, atfel încât .[14]

Fig.20.Modelul depolmagnetic: doi poliopuși, de Nord(+) șiSud(-), separate de odistanțăd,produce unH-câmp (linii).[14]

1.3.1.2.Modelul de buclă Amperian și câmpul-B

După ce Øersted a descoperit că curenții electrici produc un câmp magnetic și Ampère a descoperit că curenții electrici se atrag și resping reciproc similiat cu magneți, era firesc că toae câmpurile magnetice sunt cauzate de bucle de curent electric. În acest model dezvoltat de amperi, dipolul magnetic elementar care formează toți magneții, este o buclă amperiană de curent suficient de mică. Momentul dipolului acestei bucle este unde A este aria buclei.[14]

Acești dipoli magnetici produce un câmp magnetic B. O proprietate importantă a câmpului B, produs in acest fel este că, liniile câmpului magnetic B nici nu încep nici nu se sfârșesc (matematic, B este un câmp vectorial solenoidal), un linie de câmp ori se extinde până la infinit ori se înfăsoară în jur pentru a forma o curbă închisă.[14] Liniile de câmp magnetic ies drintr-un magnet aproape de polul nord și intră în apropierea polului sud, dar în interiorul magnetului, liniile câmpului magnetic B continuă prin magnetul de la polul sud, înapoi la polul nord. În cazul în care o linie de câmp B intră într-un magnet undeva trebuie să plece în altă parte, nu este permis să aibă un punct final. Polilor magnetici, prin urmare, vin mereu în N și S de perechi.[14]

O expresie matematică ar fi de genu:

(1.15.)

Fig.21.Modelul buclă Amperiană: o buclă de curent (inel), care merge în pagina de la x și iese la punct, produce un câmp-B (linii). Polul N este de la dreapta și polul S la stânga[14]

1.3.2.Câmpul electromagnetic

Un câmp electromagnetic (EMF) este un domeniu fizic produs de obiectele încărcate electric. Acesta afectează comportamentul obiectelor încărcate în aproprierea câmpului. Câmpul electromagnetic se extinde la infinit de-a lungul spațiului și descrie interacțiunea electromagnetică.[15] Acesta este unu dintre cele patru forțe al naturii funadmentale (celelalte sunt gravitația, intercațiunea slabă și intercațiunea tare). Câmpul poate fi privit ca o combinație de un câmp electric și un câmp magnetic. Câmpul electric este produs de sarcinile de staționare, iar cîmpul magnetic de sarcini (curenți) în mișcare; acestea sunt adesea descrise ca surse ale câmpului. [15]

În figura de sus, reprezintă două componente de undă: câmpul electric (E) și câmpul magnetic (B). Aceste două câmpuri variază periodic (oscilează) în timp și spațiu, fiecare având o direcție perpendiculară pe direcția de propagare a undei și perpendicular unul pe celălalt.[15]

Modul în care sarcinile și curenții interacționează cu câmpul electromagnetic este descris de ecuațiile lui Maxwell și Legea Forței lui Lorentz.

Există diferite moduri matematice de reprezentare a câmpului electromagnetic. Primul, consideră câmpurile electrice și magnetice ca fiind vectorii tridimensionali ale câmpurilor. Aceste câmpuri vectoriale au fiecare o valoare definită la fiecare punct de spațiu și timp, și sunt prin urmare, de multe oric considerate ca funcții de coordonate în spațiu și timp. Ca atare ele sunt adesea scrise ca E (x,y,z) (câmp electric) și B (x,y,z,t) (câmp magnetic).[15] Dacă câmpul electric (E) este diferit de zero, și este constant în timp, câmpul este declarat a fi un câmp electrostatic. În mod similar, dacă numai câmpul magnetic (B) este diferit de zero și este constant în timp, câmpul este declarat a fi un câmp magnetostatic. Cu toate acestea, în cazul în care fie câmpul electric sau magnetic are o dependență de timp, atunci ambele domenii trebuie considerate împreună, ca un câmp electromagnetic cuplat folosind ecuațiile lui Maxwell.[15]

Comportamentul de câmpuri electrice și magnetice, dacă în cazuri de electrostatică. electrostatică, sau electrodinamică (câmpuri electromagnetice), sunt reglemetate într-un vid al ecuațiilor lui Maxwell.[15] În formalismul câmpului vectorial, acestea sunt:

(Legea lui Gauss) (1.16.)

(Legea lui Gauss pentru magnetism) (1.17.)

(Legea lui Faraday) (1.18.)

(Legea lui Ampère-Maxwell) (1.19.)

unde este densitatea de încărcare, care pot depinde de timp și de poziție, este permitivitatea de spațiu liber, μ0 este permeabilitatea de spațiu liber, și J este vectorul de densitate de curent, de asemenea, o funcție de timp și poziție.

Ecuațiile lui Maxwell modifică prin schimbarea permeabilității și permitivității de spațiu liber cu permeabilitatea și permitivitatea liniară a materialului în cauză. În interiorul altor materiale care posedă răspunsuri mai complexe la câmpuri electromagnetice, acești termeni sunt adesea reprezentate de numere complexe, sau tensori. Legea Forței lui Lorentz reglementează interacțiunea câmpului electromagnetic cu materia încărcată.[15]

Atunci când un câmp trece de diferite medii, proprietățile câmpului se modifică în funcție de multitudinea condițiilor. Aceste ecuații sunt derivate din ecuațiile lui Maxwell. Componentele tangețiale ale câmpurilor electrice și magnetice când acestea se referă la limita a două medii sunt următoarele:

Unghiul de refracție al unui câmp electric între medie este legată de permitivitatea ( fiecărui suport:

Unghiul de refracție al unui câmp magnetic între medie este legată de permeabilitatea fiecărui mediu:

1.3.3. Inducția electromagnetică

Inducția electromagnetică reprezintă producerea de o diferență de potențial (tensiune) între un conductor atunci când este expus șa un câmp magnetic variabil. Acesta este descris matematic prin Legea lui Faraday de inducție, care, în general este creditat cu descoperirea de inducție în 1831.[16] În prima demonstrație experimentală a lui Farday de inducție electromagnetică, a acoperit cu două fire de părți opuse al unui inel de fier (un aranjament similar cu un transformator toroidal modern). Pe baza evaluării sale a proprietăților descoperite ale electromagneților, se astepta ca atunci când un curent a început să curgă într-o singură sârmă, un fel de val ar călătorii prin inelul de fier și ar provoca unele efecte electrice pe partea opusă. El a conectat o sârmă într-un galvanometru, și a privit-o în timp ce conecta altă sârmă la o baterie.[16] Într-adevăr, a văzut un curent tranzitoriu( pe care la numit “ valul de energie electrică”), atunci când a conectat firul la baterie și altul când la deconectat. Acestă inducție a fost ca urmare a schimbării a fluxului magnetic carea a avut loc atunci când bateria a fost conectată și deconectată.[16]

Fig.23.Schema aparatului lui Faraday.

(Schimbarea fluxului magnetic din bobina stangă induce un curent electric în bobina din dreapta)[16]

Legea fizicii descrie procesul de inducție electromagnetică ca fiind cunoscută sub numele de Legea lui Farday de inducție și versiunea cea mai răspândită a acestei legii prevede: c[ fo’a electromotoare indusă în orice circuit închis este egală cu rata de schimbare a fluxului magnetic prin circuit.[16] Matematic vorbind:

unde , este forța electromotoare (FEM), și , este fluxul magnetic. Direcția forței electromotoare este data de legea lui Lenz. Aceasta versiune a legii lui Faraday este strictp atunci când circuitul închis este o buclă de sârmă subțire infinită, și este nul în alte situații. O altă versiune, ecuația Maxwell-Faraday, este valabilă în toate circumstanțele.[16] Pentru o bobină de sârmă bine strânsă, compusă din N spire identice, fiecare cu acelși flux magnetic trece prin ele, rezultând o forță electromotoare data de:

Legea lui Faraday de inducție, folosește un flux magnetic printr-o suprafață ipotetică al cărei limite este o buclă de sârmă. Având în vedere că bucla de sârmă poate fi în mișcare, vom scrie pentru suprafață.[16] Fluxul magnetic este definit de o suprafață integrală:

unde “dA” este elementul de suprafață a ariei de suprafață în mișcare , B este câmpul magnetic, și este un produs scalar vectorial. Din punct de vedere vizual, fluxul magnetic prin bucla de sârmă este proporțională cu numărul de linii de flux magnetic care trec prin buclă.[16]

Atunci câmd fluxul se schimbă deoarece B se schimbă, sau pentru că bucla de sârmă este mutată sau deformată, sau ambele inducții ale legii lui Faraday spune că bucla din sârmă dobândește un forța electromotoare, definită ca energia disponibilă de la o unitate de sarcină, care a călătorit o dată în jurul buclei de sârmă. Echivalent, aceasta este tensiunea care ar fi măsurată prin tăierea firului pentru a crea un circuit deschis, și atașarea unui voltmetru pentru a conduce.[16]

Conform Legii lui Lorentz:

forța electromotoare pe o buclă de sârmă este:

unde E este câmpul electric, B este câmpul magnetic, dl este lungimea arcului infinitezimal de-a lungul firului, și integrala linie este evaluată de-a lungul firului (de-a lungul curbei ce coincide cu forma sârmei).[16]

Cap.2.

Tehnologia de transmitere a energiei electrice prin Wireless.

Proporția de energie electrică primită devine critică doar în cazul în care este prea mică pentru semnalul de a se distinge de zgomotul de fond. Cu puterea wireless, eficiența este un parametru important. Cea mai comună formă de transmisie a energiei electrice wireless este realizată folosind fenomenele de inducție directă urmată de inducția magnetică de rezonanță. Alte metode luate în considerare sunt radiațiile electromagnetice sub formă de microunde sau laser.[17]

Puterea wireless este o tehnologie care face parte din viata de zi cu zi cum ar fi Bluetooth și Wi-Fi, schimbând radical modul în care oamenii sunt capabili să-și trăiască viața, oferind noi nivele de mobilitate, confort și siguranță. Aceasta are capacitatea de a adăuga o valoare și de a crea o mai mare flexibilitate în dezvoltarea și utilizarea de produse într-o gamă largă de nevoi de energie și industrii. Ca atare, este imperativ ca o cerere-tip de tehnologie să fie introdusă pentru a crea cea mai mare oportunitate pentru adopție în masă și integrarea în stilul de viață ale consumatorilor. Conceptul că o sursă de alimentare de 60W ar putea alimenta orice sub acea valoare și furniza puteri necesare pentru dispozitivele adecvate, au fost văzute ca investiții costisitoare. Odată cu apariția tehnologiei de alimentare avansate, low-cost, această posibilitate devine o realitate și implementată.[17]

Cele mai multe abordări pentru transferul de putere prin wireless, utilizează un câmp electromagnetic de o anumită frecvență ca și mijloacele prin care energia electrică este trimisă. La sfârșitul unei frecvențe înalte a spectrului sunt tehnici optice care utilizează lasere pentru a trimite puterea printr-un fascicul de lumină colimat la un detector de distanță în care fotonii primiți sunt convertiți în energie electrică.[17] La frecvențe de microunde, o abordare similară poate fi utilizată pentru a transmite eficient o putere electrică pe distanțe mari, folosind domeniul radiant al câmpului electromagnetic cu antene adecvate. De asemenea, este posibil să se transmită energie folosind câmpuri neradiative. Ca un exemplu: funcționarea unui transformator poate fi considerată o formă de transfer de putere wireless deoarece utilizează principiul de inducție magnetică de a transfera energia de la o bobină primară la o bobină secundară fără o directă conexiune electrică. Încărcătoarele inductive, cum ar fi cele găsite în mod obișnuit la periuțele de dinți electrice, functionează pe același principiu.[17] Cu toate acestea, pentru ca acest sistem să funcționeze eficient, bobina primară (sursa) și bobina secundară (dispozitivul) trebuie să fie situate în strânsă proximitate și cu atenție poziționate unul față de celălalt.[17]

Un grup de cercetători de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts,și-au pus întrebări cum ar fi dacă ar putea să transmită la distanțe și mai mari energia electrică și să poziționeze sursa și dispozitivul unde se va dorii. Ei au cercetat mai multe tehnici de transmitere a energiei pe distanțe “mid-range”, și au ajuns la o metodă non-radiativă care folosește rezonanța pentru a sporii eficiența transferului de energie. Echipa a demonstrat tehnica de rezonanță înaltă cu ajutorul unui câmp magnetic pentru a transfera energia pe o distanță de mid-range de 2 metri.[18]

De la acea demonstrație inițială, a utilizării tehnici de rezonanță înaltă pentru trasnferul de energie electrică prin wireless, sau rezonanța magnetică, a permis un transfer eficient de energie electrică prin wireless într-o gamă largă de aplicații care nu au fost posibile până acum. O schemă generală a unui astfel de sistem este prezentat în fig. următoare.[18]

Fig.24. Schema bloc a sistemului de transmitere a energie electrice prin wireless.[18]

Progresează de la stânga la dreapta pe linia de sus a diagramei, puterea de intrare a sistemului este de obicei, fie de perete (rețea de alimentare AC) care este transformată în curent continuu (DC) într-un bloc redresor AC/DC, sau în mod alternativ, o tensiune de curent continuu direct de la o baterie sau alte tensiuni de curent continuu.[18] În aplicațiile de mare putere, o etapă de corectare a factorului de putere poate fi, de asemnea, incluse în acest bloc. O eficiență ridicată de comutare de amplificator, convertește tensiunea de curent continuu într-o formă de undă de tensiune RF folosită pentru a conduce sursa la rezonator. Adesea, o rețea de adaptare a impedanței (IMN) este folosit eficient pentru un cuplu de amplificare de ieșire la sursa de rezonator permițând în același timp o comutare eficientă de aplificator.[18]

Rețeaua de adaptare a impedanței servește pentru a transforma sursa de impedanță rezonatoare, încărcate de cuplarea la sarcina dispozitivului rezonator și de ieșire, într-o impedanță a sursei amplificatorului. Câmpul magnetic generat de o sursă rezonatoare cuplată la un dispozitiv rezonator, excitând rezonatorul și cauzează creșterea energiei în ea. Această energie este cuplată în afara dispozitivului rezonator pentru a face o muncă utilă, de exemplu, alimentarea directă a unei sarcini sau încărcarea unei baterii.[18] O adoua rețea de adaptare a impedanței este utilizată pentru a transmite eficient energie din rezonatorul de sarcină. Se poate transforma impedanța de sarcină reală într-o sursă de impedanță eficientă văzută de dispozitivul rezonator care se potrivește mai îndeaproape de încărcarea optimă eficientă, ea se poate scrie în fomă matematică:

Pentru sarcinile care necesită o tensiune de curent continuu, un redresor convertește puterea de curent alternativ (AC) în putere de curent continuu(DC).[18]

2.1.Transferul wireless de putere prin definirea frecvențelor în circuitele cu rezonatoare

Circuit cu rezonatoare conectate paralel-paralel

Pentru a definii ecuațiile de stare ale conexiunii, se va scrie ecuațiile lui Kirchhoff pentru circuitul sursă (circuitul primar) și pentru circuitul secundar.[19]

Prin prelucrearea ecuațiilor de mai sus, se obține:

Am obținut graficele puterilor active transferate prin simularea în PSpice. Puterile obținute au fost calculate cu formula (P = Ri2).[19]

Conexiunea Paralel-Paralel

După cum se vede în grafic, observăm că frecvența este de f = 1336.3 [Hz], frecventa în care puterea este disipată la maxim. Puterea maximă disipată în circuitul secundar este Pmax = 556.45 [W].[19]

Circuit cu rezonatoare conectate serie-serie

Se scriu ecuațiile lui Kirchhoff corespunzătoare circuitelor:

Se obțin ecuațiile de stare:

Conexiunea Serie-Serie.

Au rezultat în graficul de mai sus frecvențele de reactanță f1=3043.5189 [Hz], f2=3560.6159 [Hz], f3=4809.8234 [Hz] unde frecvența 2 este frecvența de rezonanță a fiecărui circuit considerat separat. Puterea maximă are valoarea Pmax = 1874.9 [W].[19]

Circuit cu rezonatoare conectate serie-paralel

Se scriu ecuațiile lui Kirchhoff corespunzătoare circuitelor:

În continuare aceste ecuații se prelucrează si se va obține:

Conexiunea Serie-Paralel.

După cum se vede în grafic, frecvența reactantă este f = 4127.9 [Hz]. Puterea maximă disipată în circuit este Pmax=1194.5 [W].[19]

Circuit cu rezonatoare conectate paralel-serie

Se scriu ecuațiile lui Kirchhoff specifice circuitelor:

Se vor obține ecuațiile conexiunii paralel-serie:

Conexiunea Paralel-Serie.

După cum se observă în grafic, frecvența de rezonanță este de f =4127.9 [Hz]. Puterea maximă disipată în circuit este de Pmax = 1194.5 [W]. Am constatat ca Montajul Paralel-Serie și Serie-Paralel au aceleași valori deoarece se suprapun !![19]

Fig.25.Graficul cu cele patru conexiuni[19]

Din acest grafic observăm că dintre cele patru conexiuni, conexiuniea paralel-paralel are o eficiență scăzută de transfer față de conexiunea serie-serie care deține cel mai bun randament de transfer.[19]

2.2. Witricity și modul de funcționare

folosește cuplaj magnetic.[20] În această tehnologie nu este nevoie de o linie clară de vedere între emițător și receptor. Witricity este, de asemnea, un mod sigur de transfer de putere că intercațiunea dintre câmpuri magnetice și organismele biologice nu prezintă un pericol. Există mai multe motive pentru utilizarea unui astfel de tehnologie, și acestea, adesea încadrează în una sau mai multe categorii:

Face ca dispozitivele să fie mai convenabile, și astfel mai mult de dorit de către cumpărători, prin eliminarea nevoii de un cablu de alimentare sau înlocuirea bateriei.[20]

Face mai multe dispozitive de încredere prin eliminarea componentei predispuse defectării la un sistem-electronic, acestea fiind cablurile și conectorii.[20]

Face dispozitivele mult mai ecologice prin eliminarea necesității de folosire a bateriilor de unică folosință. Folosind puterea din rețea este mult mai puțin costisitoare și mai ecologic decât fabricarea, transportul și utilizarea bateriilor bazate pe electrochimie.[20]

Face dispozitivele mai sigure prin eliminarea pericolului de scânteie asociat cu interconexiuni de conductoare, facândule rezistente la umezeală și explozii prin eliminarea capurilor de conectori și fire care se execută prin acoperișuri, pereți sau alte obstacole.[20]

Reducerea costurilor de sistem prin folosirea unei singure surse de putere prin care se pot alimenta cu energie mai multe dispozitive.[20]

Fig.26.O singură bobină sursă de alimentare care alimentează mai multe dispozitive[20]

Aplicațiile variază de la un nivel foarte redus de energie pentru un senzor wireless și dispozitive electronice care au nevoie de mai putin de 1W, la niveluri foarte ridicate de putere pentru sisteme industriale și de vehicule electrice care necesită în exces de 3kW.[20] Mai mult, sistemele pot fi implementate pentru:

a) Alimentare wireless directă, de un dispozitiv, în care energia captată este concetată direct la o sarcină (ex. LED-uri) și orice componentă de stocare a energiei existente în dispozitivul electric, care nu furnizează putere sau furnizează putere de back-up.[20]

b) Încărcarea wireless, în care o baterie sau super-condensator este încărcat cu energia primită.[20]

(a) (b)

Fig.27.Sisteme de transfer de putere wireless de rezonanță înaltă, (a) folosite pentru alimentarea unui TV LCD (250W furnizat wireless), (b) folosit pentru a încărca wireless o baterie a unui Smartphone (5W furnizat wireless).[20]

Există patru beneficii funcționale majore ale transferului de putere electrică wireless folosind rezonatoare în comparație cu sistemele bazate pe inducție magnetică.

1.Flexibilitatea în orientările relative ale sursei și dispozitivului în timpul funcționării. Această flexibilitate deschide spațiul de aplicare, precum și utilizarea sistemului mai ușor.[20]

2. O singură sursă poate fi utlizată pentru a transfera energie pentru mai mult de un dispozitiv, chiar și atunci când dispozitivele au cerințe diferite de putere. Exemplu, în loc să existe mai multe încărcătoare separate pentru fiecare telefon dintr-o familie, putem avea o suprafață de încărcare care ocupă spațiul toate odată.[20]

3.Datorită capacității de a funcționa la valori mai mici de cuplare magnetică, dimensiunile sursei și dispozitivului rezonator nu sunt constrânse sa fie similare.[20]

4.Distanța de transfer de energie eficientă poate fi extinsă în mod semnificativ prin utlizarea de repetoare rezonante care permit energiei să “sară” între ele.[20]

Fig.28.Reprezentare schematică a beneficiilor funcționale ale transferului de energie wireless bazat pe rezonatoare de frecvențe înalte (HR-WPT)[20]

Cap.3.

Tehnici de transfer a energiei electrice în câmp apropiat

Tehnica de transfer a energiei electrice în câmp apropiat se bazează pe cuplarea a două bobine la o anumită distanță, depinzând de dimensiunea bobinelor. De fapt, un transformator transferă energia wireless, prin cuplaj de câmp magnetic, deși a fost inventat acum mai bine de 100 de ani. Dar dacă scoatem miezul de fier și mutăm cele două bobine la o distanță mai mare una față de alta, eficiența transferului scade drastic.[21] De aceea, cele două bobine trebuie puse suficient de aproape una de alta. Acest tip de metodă este deja comercializat; de exemplu cele mai multe periuțe de dinți electrice de azi, folosind încărcătoare wireless, sunt mult mai sigure decât încărcătoarele cu cablu în mediul umed. Cu toate acestea, în cazul în care bobinele emițătoare și receptoare au aceeași frecvență de rezonanță, care este determinată de materialul si forma bobinei, eficiența de transfer va scădea mult mai încet atunci când sunt despărțite una față de alta.[21]

Fig.29.Transferul de energie prin cuplaj de câmp magnetic între două bobine cu frecvența de rezonanță identică[21]

Deoarece transferul de energie în câmp apropiat, funcționează la 50-60 Hz, nu există aproape nici o interferență cu semnalele WI-FI, Radio sau TV. Principala preocupare este posibila influență asupra sănătății umane.[21] Din fericire aproape toate materialele care formează corpul uman sunt non-magnetice, astfel încât acestea intercaționează foarte slab cu câmpul magnetic, exemplu o mașină modernă RMN, nu afectează omul. Astfel, un transfer pe baza domeniul magnetic nu reprezintă un pericol pentru oameni în intervalul transferului.[21]

3.1 Rezonanța

Rezonanța este un fenomen care apare în natură în multe forme diferite. În general, rezonanța implică energia oscilând între două moduri, un exemplu familiar fiind un pendul mecanic în care energia care oscilează între formele de potențial și cinetice. Într-un sistem de rezonanță, este posibil să aibă o acumulare mare de energie stocată în timp ce există o excitație slabă a sistemului. Regenerarea apare în cazul în care rata de injectare de energie în sistem este mai mare decțt rata de pierdere de energie de către sistem.[21]

Comportamentul unui rezonator izolat poate fi descrisă prin doi parametri fundamentali, frecvența de rezonanță, și rata de pierdere intrinsecă, . Raportul dintre acești doi parametri definește factorul de calitate, Q sau rezonator ( Q = ), o măsură de cât de bine se stochează energia.[21]

Fig.30. Rezonator[21]

În acest circuit, energia oscilează la frecvența de rezonanță între inductor (energia stocată în câmpul magnetic) și condensator (energia stocată în câmpul electric) și este disipată în rezistor.[21] Frecvența de rezonanță și factorul de calitate pentru acest rezonator sunt:

și

Expresia pentru Q, arată că scăderea pierderii în circuit, reducând, creșterea factorului de calitate al sistemului. [21]

În sistemele de transfer de putere wireless cu rezonanță înaltă, sistemul rezonator trebuie să fie de calitate înaltă pentru a comanda un transfer de energie eficient. Rezonatoarele electromagnetice de înaltă calitate, sunt realizate de obicei din conductoare și componente cu absorbție redusă ( de asemneam denumite uneori ca ohmice, rezistiv, serie rezistiv, etc..), pierderi și pierderi radiative reduse.[21]

3.1.1. Sistem cu rezonatori cuplați

Dacă două rezonatoare sunt plasate în apropiere una de alta astfel încât există o cuplare între ele, devine posibil pentru rezonatoare să facă schimb de energie. Eficiența de schimb a energiei de pinde de parametrii caracterisitici pentru fiecare rezonator și cuplarea energiei, rata K, între ele. Dinamica celor două sisteme rezonatoare pot fi descrise cu ajutorul teoriei mod de cuplare, sau dintr-o analiză a unui circuit echivalent al sistemului cuplat de rezonatoare.[21]

Fig.31. Circuit echivalent al sistemului cu rezonatori cuplați[21]

În acest circuit, generatorul este o sursă de tensiune sinusoidală cu amplitudinea la frecvență , cu rezistență de generator .[21] Bobinele sursă și dispozitivul rezonator sunt reprezentate de către inductoare și , care sunt cuplate prin inductanța mutuală M, unde:

Fiecare bobină are o serie de condesatori pentru a forma un rezonator. Rezistențele și sunt rezistențele parazite (inclusiv atât pierderilor ohmice și radiative) a bobinei și a capacitorilor de rezonanță pentru rezonatoarele respective. Sarcina este reprezentată de o rezistență AC echivalentă .[21]

Analiza acestui circuit dă puterea livrată rezistenței de sarcină, împărțită la puterea maximă disponibilă de la sursă atunci când atât sursa și dispozitivul să fie rezonant la ,

unde

este figura-de-merit pentru acest sistem.[21]

Avem abilitatea de a alege generatorul și sarcina de rezistență care dau cel mai bun sistem de performanță (sau de a folosi o rețea de transformare a impedanței pentru a se potrivi la alte valori ale rezistențelor).[21] Dacă alegem:

atunci randamentul transmisiei de putere este maximizată și este dată de:

Aici se poate vedea că transferul energetic extrem de eficient este posibil în sisteme cu valori mari ale lui U.[21] Reținem că adaptarea impedanței descrise mai sus este echivalent datorită teoriei modului de cuplaj, mod care indică faptul că munca extrasă dintr-un dispozitiv poate fi modelat ca o rezistență de circuit care are ca efect contribuția suplimentară a termenului , la descărcarea unui dispozitiv cu o rată de pierdere a energie , astfel că rata globală pierderii de energie este dată de,

și eficiența transmisiei de putere este maximizată, atunci când,[21]

Fig.32.Eficiența optimă a transferului de energie în funcție de figura-de-merit,U[21]

3.2.Cuplaj magnetic rezonant

Cuplajul magnetic rezonant implică crearea unui circuit LC rezonant, și transferul de putere prin cuplaje electromagnetice fără unde de radiație electromagnetice.[22]

Fig.33.Circuitul echivalent al sistemului de transfer de putere fără circuit de reglaj[22]

Prin urmare, cuplajul magnetic poate fi reprezentat ca Lm – inductanță mutuală, Zsursă – impedanța caracteristică și Zsarcină – impedanța de sarcină. În acest sistem, ambele sunt considerate a fi egale cu Z0, 50Ω impedanța carcateristică cu o frecvență a sistemului foarte ridicată. Pierderea Ohm și pierderea de radiație a antenelor sunt reprezentate de R. În continuare, frecvența de rezonanță este calculată, bazânduse pe circuitul echivalent.[22] Pentru a satisface condiția de rezonanță, reactanță trebuie să fie zero:

condiția în ecuația (1.41.) poate fi îndeplinită de către două frecvențe rezonatoare, așa cum este calculat în urmatoarele ecuații:

Coeficientul de cuplaj k se poate calcula din ecuațiile (1.42.) și (1.43.), pentru a devenit următoarea ecuație:

Reprezintă rezistența sistemului de cuplare magnetic între antene, care sunt strâns legate de factori, cum ar fi stratul de aer dintre antene și obstacolele dintre ele.[22]

Eficiența transferului de putere este caluculat, bazânduse pe circuitul echivalent. Raportul reflexiei de putere η11 și de transmisie η21 poate fi denfinit de următoarele ecuații:

unde S11 este raportul de undă reflectată și S21 este raportul de undă transmisă.[22]

Pentru simplificarea calculelor, R este considerat a fi 0Ω. Aici, S21 poate fi calculată cu următoarea ecuație:

În timp ce spațiul de aer dintre antene crește, cuplajul între antene este slab, și coeficientul de cuplare va fi mai mic. Prin urmare, impedanța circuitului se va modifica pe măsură ce spațiul de aer se modifică, afectând eficiența transferului de putere și frecvența de rezonanță.[22]

Fig.34.Factorul de cuplare și golul de aer[22]

În acest grafic este prezentată relația de cuplare a factorului k și golului de aer.

Fig.35. Eficiența de transfer și graficele de frecvențe[22]

În graficele de mai sus este prezentat raportul dintre reflecția de putere η11, și de transmisie η21, precum și caracteristicile de frecvență ale sistemului atunci când golul de aer, g, este schimbat între 100mm-250mm.[22]

Așa cum se arată în figura de mai sus, atunci când golul este mic și cuplajul este puternic, două frecvențe rezonatoare care permit transferul de putere cu o eficiență maximă existentă. În timp ce golul devine mai larg, cele două frecvențe de rezonanță se mișcă mai aproape unul de altul și în cele din urmă se unește, creând o singură frecvență. În caz în care golul se lărgește și mai mult, eficiența maximă va scădea.[22]

3.3. Cuplaj inductiv rezonant

Cuplajul inductiv rezonant sau inducție electrodinamică este modul de a transmite ernergie electrică prin wireless în câmp apropiat între două bobine, care sunt reglate pentru a avea o rezonanță de aceeași frecvență. Echipamentul folosit pentru a face acest lucru se numește transformator rezonant sau rezonanță. În timp ce multe transformatoare folosesc rezonanța, acest tip are o calitate înaltă (Q) și este aproape mereu umplută cu aer pentru a evita pierderile “de fier”. Cele două bobine pot exista ca un singur echipament sau poate include două piese separate ale echipamentului.[22]

Fig.36. Circuit echivalent în cuplaj inductiv rezonant[22]

Receptorul este modelat ca o rezistență RL în rezonatorul secundar. k este coeficientul de cuplare al transformatorului, și L1, L2 au o auto-inductanță în emițătorul și receptorul bobinelor, respectiv R1 și R2 care modelează pierderile în bobine. C1 și C2 sunt condensatori, inclusiv parazitice și capacitatea externă pentru a creea o rezonanță la transmițător și receptor pe lateral. Cuplajul inductiv standard utilizează o frecvență mult sub frecvența auto-rezonantă a inductoarelor, prin urmare, capacitatea parazitică (C1 , C2) sunt de obicei ignorate în acest caz.[22]

Cuplajul inductiv de rezonanță, totuși, folosește această capacitate să rezoneze cu inductori, crescând fluxul legat între emițător și receptor.[22]

Fig.37. Întregul circuit echivalent[22]

Circuitul cu transformator poate fi convertit la un circuit echivalent cu sarcină reflectată Ze. Ze surprinde impactul părții secundare pe partea primară. Impedanța reflectată Ze poate fi exprimată prin:

unde

Puterea consumată la Ze trebuie să fie identică cu puterea transferată la partea secundară. Având în vedere că partea reală a ecuației (1.48.) este componentă rezistivă, putem deriva fracția de livrarea puterii către partea secundară la rezonanță. Aceasta este puterea eficienței la partea de primar, η1.[22]

Fig.38. Circuitul echivalent secundar[22]

La circuitul echivalent secundar, rezistența parazitică poate fi convertită într-o pierdere paralelă echivalentă dealungul LC. Puterea de la partea primară va fi disipată în ambele R2 și RL, iar puterea consumată la RL reprezintă puterea de ieșire disponibilă la receptor.[22] La rezonanță, eficiența energetică de la partea secundară, η2 poate fi scrisă astfel:

Combinând ecuațiile (1.50.) și (1.51.), rezultă randamentul total de energie al legăturii de putere inductiv derivat.[22]

Cap. 4.

Tehnici de transfer a energiei electrice în câmp îndepărtat

Pentru a transfera energie electrică wireless pe distanțe lungi, se utilizează tehnica transferului în câmp îndepărtat. Tranferul în câmp îndepărtat se bazează pe unde electromagnetice care sunt radiative. Diferite metode de transfer folosesc undele electromagnetice în benzi de unde diferite.[23] În trecut, experimentele erau efectuate prin unde radio și microunde, în jurul 1GHz. Energia electrică este transferată într-un fascicul puternic de unde radio sau microunde cu o antenă “farfurie”, care trece prin atmosferă și apoi o recepționează o altă antenă care o transferă înapoi sub formă de curent electric alternativ (AC). [23]

Fig.39.Transferul de energie electrică prin microunde între două stații[23]

Cu toate acestea, în funcție de, difracție, cu cât lungimea de undă este mai mare, cu atât mai mare trebuie să fie antenele pentru a obține o direcționalitate suficientă. Deoarece viteza luminii în aer este aproximativ de 3 x 108 m/s, lungimea de undă corespunzătoare a undelor radio și microunde folosite este de aproximativ un metru, care necesită o antenă cu o dimensiune de cățiva metri la mai mulți kilometri.[23] Astfel, trebuie să folosim undele electromagnetice cu lungimea de undă mai mică, dacă dorim să transferăm energie electrică pentru obiecte mai mici. Mai mult decât atât, din moment ce undele electromagnetice utilizate, sunt poziționate în banda de frecvență a celor radio, TV, telefon mobil și Wi-Fi, cu o intensitate de semnal de mai multe ordini de mărimi, nu am dori acea undă aproape de locuințe sau birouri, de fapt, această tehnică a fost propusă pentru a fi utilizată în transferul de enegiei electrică între viitorii sateliți de energie solară și a pământului.[23]

4.1. Transferul de energiei electrică prin microunde

Microundele sunt unde electromagnetice cu lunigimi de undă variind de la un metru si scurtă de un milimetru, sau echivalent, cu frecvențe cuprinse între 300 MHz (0.03GHz) și 300 GHz. Pentru transferul energiei electrice wireless folosim microunde de mare putere și anume 1-10GHz undele radio. [23]

Această tehnică implică conversia energiei în microunde și apoi o transferă prin undă către o antenă de rectificare (redresor și antenă) de la emițător și primită de receptor, care vor fi convertite în energie electrică convențională.[23]

Etapele transmisiei energiei electrice prin microunde sunt:

Conversia energiei electrice în energie de microunde

Recepționarea de energiei cu microunde folosind antena de rectificare

Conversia energiei microundelor în energiei electrică

Componentele primare a unui sistem de transmisie a energiei electrice prin microunde sunt, o sursă cu microunde, o antenă de transmisie și antenă de recepție (antenă de rectificare).[23]

Fig.40.Schema bloc funcțională a sistemului de transmisie a energiei prin microunde[23]

În partea de transmisie, sursa de alimentare cu microunde generează putere și ieșirea puterii este controlată de un circuit de control electronic. Unda de ferită care protejează sursa de energie în microunde de puterea reflectată este conectată cu sursă de alimentare cu microunde prin adaptorul Coax-ghid de undă.[23] Acordarea se potrivește cu impedanța dintre antena de transmisie și sursa de microunde. Semnalele atenuate vor fi separate în funcție de direcția de propagare a semnalului direcțional de cuplaj. Antena de emisie radiază puterea uniform prin spațiu liber pentru antenă.[23]

În receptor, o antenă recepționează puterea transmisă și transformă microundele în curent continuu (DC). Circuitul de adaptare a impedanței și filtrul este furnizat pentru a seta impedanța de ieșire a semnalului sursei care este egal cu circuitul de rectificare. Circuitul de rectificare este format din diode-barieră Schotty care transformă puterea microundelor primită în curent continuu (DC).[23]

Fig.41.Sistem de transmisie a energiei electrice prin microunde[23]

Pentru transmiterea energiei electrice wireless de pe suprafața pământului, o serie limitată de frecvențe de transmisie sunt valabile și potrivite. Datorită atenuării atmosferice si de absorbție, frecvențele peste 6 GHz, nu sunt eficiente.[23] Frecvențele mai mici de 2 GHz, necesită o deschizătură foarte mare pentru transmisie și recepție. Prin urmare, frecvențele adecvate sunt cuprinse în intervalul de 2 GHz și 6 GHz. Transmisii eficiente presupune ca razele să aibe densitate de putere Gaussiană. Transmisiile eficiente pentru razele Gaussiene sunt relatate la dimensiunile deschiderii antenelor de transmisie și recepție.[23]

și

Unde Dt, este diametrul ariei de transmisie;

Dr, este diametrul ariei de recepție;

λ, este lungimea de undă de transmisie;

R, este distanța de transmisie.

4.1.1. Antenă de rectificare

Antena de rectificare, este un tip special de antenă, care este folosită pentru a converti direct energia microundelor în curent continuu (DC). Elementele sale sunt, de obicei, aranjate într-un multi-element de etape cu un model reflectorizant pentru al face direcțional. Antenele de rectificare sunt în curs de dezvoltare precum și antenele de recepționare în cadrul sistemelor de transmisie a puterii de microunde, care transmite energie electrică în locuri îndepărtate cu ajutorul microundelor. O posibilă aplicație în viitor a anteneide rectificare este pentru sateliții de energiei solară.[23]

Un simplu element al unei antene de rectificare constă dintr-o antenă dipol cu o diodă Schottky plasat peste elementele de dipol. Dioda rectifică curentul alternativ (AC) indus în antena de microunde, pentru a produce curent continuu (DC). Dioda Schottky este folosită, deoarece acestea au cele mai mici căderi de tensiuni și cea mai mare viteză, prin urmare, pierde cel putin cantitatea de enrgiei din cauza de conducției și comutării. Antenele de rectificare mari constau dintr-o serie de mai multe elemente de dipol.[23]

Antenele de rectificare sunt extrem de eficiente la conversia energiei microundelor în energie electrică. În laborator, s-au observat randamente de peste 85%. Unele experimente au fost făcute cu antene de rectificare inverse, de conversia energiei electrice în energie de microunde, dar eficiența a fost mult mai mică – numai 1%. Eficiența de conversie depășește 95%, si au fost realizate. Eficiența primei antene de rectificare a fost de 50% în 1963, la ieșire 4W de curent continuu (DC) și de 40% (DC) la ieșire 7W curent continuu (DC).[23]

Fig. 42. Antenă de rectificare[23]

Fig.43. Sistem de transmisie a energiei în microunde bază-sol[

4.1.2. Generator de microunde (klystron)

Dispozitivele de transmisie cu microunde sunt clasificate drept microunde cu tuburi în vid (magnetron, klystron) și modul de putere cu microunde (MPM) și emițătoare semiconductoare de microunde și amplificatoare (GaAs, MESFET, SiC MESFET, HFET și InGaAs).[24]

Un Klystron este un tub de specialitate cu fascicul liniar în vid, care este folosit ca un amplificator pentru frecvențe înalte, de la frecvențele radio ultra înalte, până în domeniul microundelor.[24] Klystroanele de consum redus de energie sunt folosite ca oscilatoare locale în receptoarele radar superheterodină, în timp ce klystroanele de mare putere sunt utilizate ca tuburi de ieșire din emițătoare de televiziune cu frecvențe ultra înalte, releu cuptor cu microunde, de comunicare prin satelit, emițătoare radar și pentru a genera puterea de unitate pentru acceleratoare de particule moderne.[24]

Fig.44. Klystron de mare putere folosit pentru comunicarea cu navele spațiale[24]

Multe klystroane folosesc ghiduri de undă pentru cuplarea energiei microundelor în interior și în afara dispozitivului, deși este, de asemenea, destul de comună pentru klystroane de puteri mici și de frecvențe mai joase pentru a folosi cuplaj cu cablu coaxial în loc. În unele cazuri, o sondă de cuplare este utilizată pentru a cupla energia microundelor de la un klystron într-un ghid de undă extern separat. Ghidul de undă de ieșire al unui klystron poate fi cuplat înapoi la intrare pentru a creea un oscilator electronic.[24]

Fig.45. Tubul Klystron[24]

Klystroanele amplifică semnalele RF ( frecvența radio) prin conversia energiei cinetice într-un fascicul de electroni de curent continuu (DC) în energie de radiofrecvență. Un fascicul de electroni este produs de un catod termionic, și accelerat de electrozi de înaltă tensiune (de ordinul zecilor de kilovolți).[24] Acest fascicul este apoi trecut printr-o cavitate rezonatoare de intrare. Energia RF este alimentată în cavitatea de intrare la, sau aproape de, frecvența de rezonanță care produce o tensiune care acționează asupra fasciculului de electroni. Câmpul electric face ca electronii să se îngrămadească: electronii care trec în timpul unui câmp electric opus sunt accelerați și electronii mai târziusunt încetiniți, provocând fasciculul de electroni anterior să formeze legături la frecvența de intrare.[24]

Pentru a consolida legătura, un klystron poate conține alte cavități de legătură. Fasciculul trece printr-un tub de “drift” (alunecare), în care electronii mai rapizi, îi prind pe cei mai lenți, creând legături, apoi printr-un captator. La ieșire, cavitatea capatator, fiecare legătură întră în cavitate la momentul ciclului când câmpul electric se opune mișcării electronilor, decelerândui.[24]

Energia cinetică a electronilor este convertită în energie potențială a câmpului, crescând amplitudinea oscilațiilor. Oscilațiile în cavitate de captare sunt cuplate prin intermediul unui cablu coaxial sau cu ghid de undă. Fasciculul de electroni, cu energia redusă, este capturat de către un electron colector.[24]

4.2. Transferul de energie electrică prin intermediul sateliților solari de putere

Problema globală a sistemului energetic poate fi rezolvată într-un mod eficient de către un sistem energetic pământ-spațiu. În spațiu există energie solară nelimitatăcare poate fi folosită pentru rezolvarea crizei energetice cu care pământul se confruntă în prezent.[25] Conceptul de sateliți solari de putere (SSP) este să atragem energia solară folosind o multitudine de panouri fotovoltaice în spațiu și de a transmite către pământ cu ajutorul antenelor de microunde. Are un mare potențial pentru un sistem de energie curată pe scară largă, pentru a înlocui centralele pe combustibil fosil si nu numai.. [25]

Fig.46. Sistemul energetic al sateliților solari de putere, funcționabil[25]

Fig.47.Configurarea sistemului energetic – sateliți solari de putere și segmentele de sol[25]

Puterea medie de timp pe unitatea de suprafață în spațiu este 5-10 ori mai mare decât cea de pe sol, în timp ce pierderile de putere pentru puterea transmisă/receptată wireless este de așteptat mai puțin de 50%. Astfel acest sistem energetic are un avantaj competitiv față de centralele electrice solare de pe tera.[25]

Cele mai multe dintre modelele propuse de SSP folosește tipul de transfer prin microunde, mai degrabă decât cel cu laser pentru transmisia wireless, deoarece eficiența energetică, atât la emițător cât și la receptor este în general mai mare și atenuarea prin atmosferă este mai mică pentru microunde față de laser.[25]

Frecvența microundelor pentru sistemul energetic cu sateliți solari de putere (SSP) a fost selectat între 1-10GHz, si compromite între mărimea antenei și atenuarea atmosferică. Dacă se va alege o frecvență între benzile industriale, științifice și medicale (ISM) de radio , 2.45 – 5.8 GHz este potențialul candidat.[25] O frecvență de 2.45 GHz a fost selectată în studiul de fază, dar frecvența de 5.8 GHz a fost recent considerată ca o frecvență mai de dorit doarece are un progres accelerat în tehnologia RF.[25] În ceea ce privește generatorul de microunde, klystron, magnetron și TWT au fost propuse pentru utilizarea lor în sistemul energetic al sateliților spațiali de putere, pentru că randamentul conversiei de putere este destul de ridicat, exemplu 70%, la un cost scăzut. Amplificatorul semiconductor este un alt candidat potențial ca eficiență energetică deoarece a fost înbunătățită considerabil la 60-70% cu așteptări low cost.[25]

Fig.48. Diferite tipuri de sateliți solari de putere[25]

Pe langă eficiența energetică, tehnologiile cu indicare de fascicul pentru a transmite fasciculul de energie prin microunde, tocmai la puntul de recepție, unde este esențial pentru transmiterea de putere în continuare.[25]

Un unghi al fasciculului de 100μ rad și cu 10μ rad necesari pentru precizie la frecvența de 5.8 GHz, transmiterea de la o antenă de 2 km2 în orbita geostaționară la un loc de recepție cu un diametru de 3.5 km. Antena de transmisie va fi asamblată de către un număr de panouri care constau din alte antene de tip sub-matrice. Va fi instalat complet mai mult de 1 miliard de antene. [25]

O tehnologie retro-directivă cu un semnal pilot dinspre tera, va fi folosit pentru a controla fasciculul de microunde de la fiecare panou care va conduce la stația de recepție de pe tera.[25]

Fig.49. Stație de recepție a sistemului energetic SSP[25]

Deși fiecare panou este suficient de rigid pentru fasciculul cu microunde, mișcarea între panouri nu poate fi evitată pentru asamblarea antenelor de dimenisiuni mari. Puterea cu microunde la locul de recepție este rectificată pentru a putea furniza curent continuu, utilizând antene de rectificare cu diode Schottky. Eficiența de conversie de putere pentru o singură antenă depășește 80% într-un interval de putere mai mult de 50 mW.[25]

Tabelul 1. prezintă anumiți parametri ale antenelor de transmisie a sateliților solari de putere. O conicitate a amplitudinii pe antena de emisie este adoptată pentru a sporii eficiența de colectare a fasciculului și de a reduce nivelul lobului lateral la aproape toți sateliții solari de putere. O conicitate tipică a amplitudinii este 10dB Gaussian în care densitatea de putere în centrul antenei de transmisie este de zece ori mai mare decât cea de pe marginea antenei de transmisie.[25]

Tabelul.1. Parametrii antenelor de transmisie a sateliților solari de putere [25]

4.3. Transferul de energie electrică prin intermediul laserului

Laserele generează radiații electromagnetice cu fază coerentă la frecvențe optice și infraroși de la surse externe de energie, de preferință, stări excitate pentru a creea o inversare în distribuirea normală de stări de energie.[26] Fotoni de frecvență specifici de emisie, stimulați de emisii, intră și sunt amplificați ca unde staționare într-o cavitate optică de rezonanță. Cele mai eficiente convertoare DC-laser sunt diodele solide-laser, utilizate în fibră optică și comunicare în spațiu.[26]

Elementele necesare pentru a construii un laser sunt:

1. O sursă de energie;

2. Un mediu laser;

3. Doua sau mai multe oglinzi care formeazăun resonator optic.

Fig.50. Schema de principiu al unui laser[26]

Rezonatorul optic , sau cavitatea optică, reprezintă două oglinzi paralele dispuse în jurul mediul de producere a laserului. Oglinzile oferă acoperire optică care determină proprietățile lor reflectorizante. De obicei unul va fi un reflector puternic, iar celălalt va fi un reflector parțial. Acesta este numit cuplaj de ieșire, deoarece permite o parte din lumină să părăsească cavitatea pentru a produce fasciculul de ieșire a laserului.[26]

Sursa de energie, este partea care furnizează energie sistemului laser. Tipul sursei de energie utilizat, în principiu depinde de mediu de producere, iar acest lucru determină, de asemenea, modul în care energia este transmisă la mediu. Un laser heliu-neon (HeNe) utilizează o descărcare electrică în amestecul de gaze heliu-neon, un laser Nd:YAG utilizează fie lumina concentrată de la o lampă cu xenon sau diode laser.[26]

Mediul laser, este principalul factor determinant al lungimii de undă de operare, și alte proprietăți ale laserului. În mediul laser, sursa de energie este excitată pentru a produce o inversare, și în mediul laser crește spontan și sitmulat fotoni emiși, cea ce duce la fenomenul optic, sau amplificare.[26]

Alternativ, generația de pompare-solară prin laser directă are un avantaj major față de starea solidă sau laserele cu gaz, care se bazează pe utilizarea energiei electrice la generarea oscilațiilor cu laser de la generarea de electricitate în spațiu, presupune în mod automat o pierdere a eficienței sistemului de aproximativ 60%.[26]

Fig.51. Sistem de pompare solară direct prin laser cu transfer de 1GW[26]

Pomparea directă folosește lumina soarelui ca sursă de lumină pentru a genera fascicolul laser. În scopul de a obține densități de putere necesare pentru procesul de inversare, lumina soarelui trebuie să fie concentrată de la valoarea 1387 W/m2 la valori de concentrare între 200 și câteva mii depinzând de nivelul scăzut de excitație. Puterea de ieșire a sistemului de pompare solară direct prin laser depinde în mod fundamental de suprapunerea dintre spectrul standard de emisie solară și cel de absorbție laser. Eficiența pantei speculată de acest tip de pompare este de până la 2-3%.[26]

Componentele acestui sistem sunt un colector solar, mediu laser și la sfârșitul sistemului de recepție, fie panouri forovoltaice sau un sistem de conversie pe bază de căldură pentru conversia razei laser înapoi în electricitate.[26]

În principiu, toate laserele pot fi utilizate pentru transmiterea de energiei. În mod special pentru lasere solare direct pompate, există mai multe tipuri de materiale adecvate ca mediu cu laser. Din punct de vedere al rezistenței la stresul termic, safirul pare să fie materialul optim pentru un mediu laser.[26] Având în vedere că, safirele de dimensiuni mari sunt foarte greu de produs, cele mai multe concepte se bazează pe YAG ( granat de ytriu și aluminiu), cristale cu laser. În ceea ce privește densitatea de energie necesară, raportul de compresie de energie solară de câteva sute de ori sunt necesare pentru laserele YAG.[26]

Aplicațiile în spațiu sau cele din spațiu spre pământ adaugă constrângeri suplimentare cu privire la:

Cerințe de temepratură pentru generația laser (preferință pentru operațiunile de temperaturi foarte ridicate în scopul de a permite respingerea unei radiații de căldură scăzută asupra sistemului și de dimensiuni mici);

Lipsa de “consumabile” și alte deșeuri potențiale;

Calitate înaltă a fasciculului laser pentru a evita utilizarea lentilelor și de a realiza suprafețe mici de recepție;

Controulul de fază (tablouri de matrici de diferite lasere, utilizate eventual pentru a forma deschideri mari virtuale).

Fig.52. Ieșiri spectrale a mai multor tipuri de lasere[26]

Cap.6.

Aplicații ale tehnologiei de transfer a energiei electrice wireless

6.1. Utilizarea Tehnologiei Wireless în Medicină.

Sisteme de încărcare wireless sunt în curs de dezvoltare pentru dispozitive medicale implantate, inclusiv dispozitivul de asistență a ventriculului stâng (LVAD) care ajută inima la pompare, stimulatoare cardiace și pompe de perfuzie. Folosind rezonatoare înalte de transfer wireless, astfel de dispozitive pot fi alimentate în mod eficient prin piele și pe distanțe mult mai mari decât grosimea pielii, astfel încât puterea poate fi furnizată la dispozitive profund implantate în corpul uman.[27]

(a) (b)

Fig.53.Exemple de aplicații wireless în domeniul medical.(a)dispozitiv LVAD, (b) stimulatoare cardiace de asistență.[27]

6.2. Utilizarea Tehnologiei Wireless la Autovehiculele Electrice.

Sistemele de încărcare wireless sunt în curs de dezvoltare pentru autovehiculele hibride reîncărcabile și autovehiculele pur electrice. Aceste sisteme livrează deja 3.3 kW la un randament ridicat pe o distanță de 10-20 cm. Se așteaptă ca încărcarea wireless se va înbunătății foarte mult în timp pentru cei care dețin deja autovehicule electrice sau hibride.[27]

Fig.54.Schema unui sistem în funcțiune de încărcare wireless.[27]

Alternativ, generația de pompare-solară cu laser directă are un avantaj major față de starea solidă sau laserele cu gaz, care se bazează pe utilizarea energiei electrice la generarea oscilațiilor cu laser de la generarea de electricitate în spațiu, presupune în mod automat o pierdere a eficienței sistemului de aproximativ 60%.[27]

6.3. Utilizarea Tehnologiei Wireless în securitatea națională.

Luptătorii din ziua de azi transportă cu ei 7 tipuri de baterii cu o greutate de peste 200 de kg pentru a alimenta anumite sisteme militare. Obiectivul armatei Americane este sa digitalizeze aproape toți soldații și aparatura tehnică pentru a micșora costurile energetice si din punctul de logisticii. Acest lucru este foarte benefic deoarece nu va mai fi nevoie de foarte multă supraveghere a echipamentelor și lipsa de nevoie a cablurilor și conectorilor.[27]

Fig. 55. Echipamente militare în acțiune, cu tehnologie wireless[27]

Tehnologiea Witricity oferă un potențial enorm pentru o serie de aplicații militare din ziua de astăzi. Componente miltare de ultimă generație, sisteme și dispozitive vor fi proiectate și dezvoltate cu Witricity pentru optimizare circuitelor, condiții de siguranță, flexibile în ce constă mentenanța tehnică.[27] Câteva proiecte în derulare sunt:

Vestă-cască pentru soldați și casca conectată la ochelarii digitali conectați wireless la sisteme digitale de căutare globală și atenționare de pericol de la distanțe foarte mari plus sistem de dazaburire a ochelarilor;[27]

Vehicul cu interfață artificială ce conține sistem de reîncărcare pe distanțe foarte lungi cât și reîncărcarea avioanelor, navele acvatice, infanteria mecanizată în timpul acțiunii.[27]

Concluzii

Transmisia de putere electrică prin tehnologia wireless este o tehnologie nobilă, în principiu, descoperită de Nikola Tesla. Tehnologia de transmisie a puterii electrice prin wireless are potențialul de a schimba fața acestei planete din punct de vedere tehnologic, prin punerea sa în aplicare în domeniul electronici pană la sateliți spațiali. Variind de la încărcarea telefonului până la schimbarea efectelor încălziri globale, tehnologia wireless este răspunsul. Transmisia energiei electrice prin microunde ar înlocuii tehnologiile convenționale ineficiente. Aceasta va reduce dependeța de combustibili fosili și alte produse petroliere care duce direct la încălzirea globală.

În prezent, tehnologia este în progres de cercetare, iar cercetătorii fac tot posibilul pentru a depășii provocările întâmpinate. Prin punerea în practică, ea se limitează la acest stadiu din cauza lipsei de cunoștințe si materiale tehnologice, precum și frecvențele de transmisie sunt limitate deoarece pot afecta alte echipamente electronice dar încet încet, această problemă va dispărea.

Până în prezent tehnologia de transmisie a energiei electrice prin wireless reprezintă o alternativă destul de bună, din punct de vedere a durabilității ei și comercializarea ei pentru centralele electrice care folosesc combustibil fosil.

Bibliografie

1. [1]Nikola Tesla Nikola Tesla on His Work with Alternating Currents and Their Application to Wireless Telegraphy, Telephony and Transmission of Power p 126

2.[2] Dahl, P.F. (1997). Flash of the Cathode Rays: A History of J J Thomson's Electron. CRC Press. p. 72-83. Link extern:http://en.wikipedia.org/wiki/Electron#cite_ref-prl50_2-0.

3. [3] Buchwald, J.Z.; Warwick, A. (2001). Histories of the Electron: The Birth of Microphysics. MIT Press. pp. 195–203.

4.[4] Jones, D.A. (1991), "Electrical engineering: the backbone of society", Proceedings of the IEE: Science, Measurement and Technology 138 (1): 1–10.

5.[5] Morely & Hughes, Principles of Electricity, Fifth edition.

6.[6] Baigrie, Brian (2006), Electricity and Magnetism: A Historical Perspective, Greenwood Press, pp. 7–8. Link extern: http://en.wikipedia.org/wiki/Electricity

7. [7] Alexander, Charles; Sadiku, Matthew (2006), Fundamentals of Electric Circuits(3, revised ed.), McGraw-Hill. Link: Electric field in "Electricity and Magnetism", R Nave – Hyperphysics, Georgia State University

8.[8] Dell, Ronald; Rand, David (2001), "Understanding Batteries", Unknown (Royal Society of Chemistry) 

9.[9] Electromagnetism (2nd Edition), I.S. Grant, W.R. Phillips, Manchester Physics, John Wiley & Sons, 2008.

10.[10] Bird, John (2007), Electrical and Electronic Principles and Technology, 3rd edition, Newnes.

11.[11] Naidu, M.S.; Kamataru, V. (1982), High Voltage Engineering, Tata McGraw-Hill, ISBN 0-07-451786-4

12. [12] Fowler, Michael (1997). "Historical Beginnings of Theories of Electricity and Magnetism". Link extern: http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetism.

13.[13] Jiles, D. (1998). Introduction to Magnetism and Magnetic Materials. CRC Press. pp. 280–287.

14. [14] David K. Cheng (1992). Field and Wave Electromagnetics. Addison-Wesley Publishing Company, Inc. ISBN 0-201-12819-5.

15.[15] Furlani, Edward P. (2001). Permanent Magnet and Electromechanical Devices: Materials, Analysis and Applications. Academic Press. ISBN 0-12-269951-3.

16.[16] Maxwell, James Clerk (1904), A Treatise on Electricity and Magnetism, Vol. II, Third Edition. Oxford University Press, pp. 178–9 and 189.Link extern: http://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_induction

17.[17] R. A. Moffatt, Wireless Transfer of electric power, thesis for Bachelor of Science in Physics – superviser M.Soljacic, June 2009.

18.[18] A.Kurs, Power transfer through strongly coupled resonances, thesis for Master of Science in Physics-superviser M. Soljacic, Sept. 2007.

19.[19] Benjamin L. Cannon, James F. Hoburg, Daniel D. Stancil, and Seth Copen Goldstein, “Magnetic Resonant Coupling As a Potential Means for Wireless Power Transfer to Multiple Small Receivers” IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 24, NO. 7, JULY 2009

20. [20] http://www.WiTricity.com/pages/technology.html

21. [21]  Frederick Emmons Terman (1932). Radio Engineering. McGraw-Hill Book Company.William McC. Siebert (1986). Circuits, Signals, and Systems.MIT Press. p. 113Link extern: http://large.stanford.edu/courses/2010/ph240/ma1/

22. [22] N. Miura, D. Mizoguchi, T. Sakurai and T. Koroda, “Analysis and Design of lnductive Coupling and TransceiveCircuit for inductive interchip Wireless Superconnect”, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol 40 pp 829-837, 2005.C. P. Slichter, Principles of Magnetic Resonance, Manuel Cadona et al., Eds. New York,USA: Springer -Verlag Berlin Heidelberg, 1996.

23. [23] William C. Brown and E. Eugene Eves, "Beamed Microwave Power Transmission andits Application to Space,"IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol.40, no. 6, pp. 1239-1250, June 1992.RF and Microwave Wireless Systems. Kai Chang.

24. [24] Bonifacio, R.; Corsini, R.; Pierini, P. (15 March 1992). "Theory of the high gain optical klystron".

25. [25] DOE/NASA, “Program Assessment Report Statement of Finding – Satellite Power Systems, Concept Development andEvaluation Program”, DOE/ER-0085, 1980.P.E.Glaser, “Power from the Sun: Its Future”,Science, vol.162,pp.867-886, 1968.

26. [26] Jordin T., Kare; Nugent, Jr., Thomas J.; Pakhomov, Andrew V. (2007). "Laser Power Beaming On A Shoestring". Link extern: http://mathscinotes.wordpress.com/2011/12/14/some-laser-basics/

27. [27] http://www.witricity.com/applications/

Bibliografie

1. [1]Nikola Tesla Nikola Tesla on His Work with Alternating Currents and Their Application to Wireless Telegraphy, Telephony and Transmission of Power p 126

2.[2] Dahl, P.F. (1997). Flash of the Cathode Rays: A History of J J Thomson's Electron. CRC Press. p. 72-83. Link extern:http://en.wikipedia.org/wiki/Electron#cite_ref-prl50_2-0.

3. [3] Buchwald, J.Z.; Warwick, A. (2001). Histories of the Electron: The Birth of Microphysics. MIT Press. pp. 195–203.

4.[4] Jones, D.A. (1991), "Electrical engineering: the backbone of society", Proceedings of the IEE: Science, Measurement and Technology 138 (1): 1–10.

5.[5] Morely & Hughes, Principles of Electricity, Fifth edition.

6.[6] Baigrie, Brian (2006), Electricity and Magnetism: A Historical Perspective, Greenwood Press, pp. 7–8. Link extern: http://en.wikipedia.org/wiki/Electricity

7. [7] Alexander, Charles; Sadiku, Matthew (2006), Fundamentals of Electric Circuits(3, revised ed.), McGraw-Hill. Link: Electric field in "Electricity and Magnetism", R Nave – Hyperphysics, Georgia State University

8.[8] Dell, Ronald; Rand, David (2001), "Understanding Batteries", Unknown (Royal Society of Chemistry) 

9.[9] Electromagnetism (2nd Edition), I.S. Grant, W.R. Phillips, Manchester Physics, John Wiley & Sons, 2008.

10.[10] Bird, John (2007), Electrical and Electronic Principles and Technology, 3rd edition, Newnes.

11.[11] Naidu, M.S.; Kamataru, V. (1982), High Voltage Engineering, Tata McGraw-Hill, ISBN 0-07-451786-4

12. [12] Fowler, Michael (1997). "Historical Beginnings of Theories of Electricity and Magnetism". Link extern: http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetism.

13.[13] Jiles, D. (1998). Introduction to Magnetism and Magnetic Materials. CRC Press. pp. 280–287.

14. [14] David K. Cheng (1992). Field and Wave Electromagnetics. Addison-Wesley Publishing Company, Inc. ISBN 0-201-12819-5.

15.[15] Furlani, Edward P. (2001). Permanent Magnet and Electromechanical Devices: Materials, Analysis and Applications. Academic Press. ISBN 0-12-269951-3.

16.[16] Maxwell, James Clerk (1904), A Treatise on Electricity and Magnetism, Vol. II, Third Edition. Oxford University Press, pp. 178–9 and 189.Link extern: http://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_induction

17.[17] R. A. Moffatt, Wireless Transfer of electric power, thesis for Bachelor of Science in Physics – superviser M.Soljacic, June 2009.

18.[18] A.Kurs, Power transfer through strongly coupled resonances, thesis for Master of Science in Physics-superviser M. Soljacic, Sept. 2007.

19.[19] Benjamin L. Cannon, James F. Hoburg, Daniel D. Stancil, and Seth Copen Goldstein, “Magnetic Resonant Coupling As a Potential Means for Wireless Power Transfer to Multiple Small Receivers” IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 24, NO. 7, JULY 2009

20. [20] http://www.WiTricity.com/pages/technology.html

21. [21]  Frederick Emmons Terman (1932). Radio Engineering. McGraw-Hill Book Company.William McC. Siebert (1986). Circuits, Signals, and Systems.MIT Press. p. 113Link extern: http://large.stanford.edu/courses/2010/ph240/ma1/

22. [22] N. Miura, D. Mizoguchi, T. Sakurai and T. Koroda, “Analysis and Design of lnductive Coupling and TransceiveCircuit for inductive interchip Wireless Superconnect”, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol 40 pp 829-837, 2005.C. P. Slichter, Principles of Magnetic Resonance, Manuel Cadona et al., Eds. New York,USA: Springer -Verlag Berlin Heidelberg, 1996.

23. [23] William C. Brown and E. Eugene Eves, "Beamed Microwave Power Transmission andits Application to Space,"IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol.40, no. 6, pp. 1239-1250, June 1992.RF and Microwave Wireless Systems. Kai Chang.

24. [24] Bonifacio, R.; Corsini, R.; Pierini, P. (15 March 1992). "Theory of the high gain optical klystron".

25. [25] DOE/NASA, “Program Assessment Report Statement of Finding – Satellite Power Systems, Concept Development andEvaluation Program”, DOE/ER-0085, 1980.P.E.Glaser, “Power from the Sun: Its Future”,Science, vol.162,pp.867-886, 1968.

26. [26] Jordin T., Kare; Nugent, Jr., Thomas J.; Pakhomov, Andrew V. (2007). "Laser Power Beaming On A Shoestring". Link extern: http://mathscinotes.wordpress.com/2011/12/14/some-laser-basics/

27. [27] http://www.witricity.com/applications/