Vino si tu pe pagina de Facebook pentru o stire de stiinta, explicata simplu, in fiecare zi!
Pagina de Facebook!
În fiecare zi, o nouă fotografie din universul nostru fascinant împreună cu o explicaţie scrisă de către un astronom profesionist: Astronomy Picture Of the Day
   
Fizica Povestita

I
Fizica Povestita

Un bec alimentat cu energie electrică transmisă prin aer a luminat pentru prima oară!

Transmiterea eficientă a energiei prin aer este unul din visele omenirii: nu am mai avea nevoie de cabluri la care să conectăm mereu echipamentele electronice… Recent, un grup de cercetatori de la MIT au făcut un progres remarcabil în această direcție, reușind să alimenteze fără cablu, prin aer, un bec de 60W, de la câțiva metri distanță, și asta cu o eficiență de 40%!

Figura: Grupul de la MIT care a raportat aceste rezultate în revista Science Express din 7 Iunie 2007

Cercetătorii au botezat noua metodă de transmisie a energiei electrice WiTricity (de la „Wireless Electricity” în engleză). Ei speră că astfel vom renunța în viitor la cablurile electrice sau la baterii. În ambele cazuri, putem alimenta echipamentele electronice prin aer. În esență, noua metodă constă în trasmiterea energie de la o bobină la alta, prin intermediul inducției magnetice. Fiecare bobină formează un mic sistem oscilator, ales în așa fel încât să nu disipeze în mod normal energie în spațiu. Cu toate acestea, când cele două bobine rezonatoare sunt în apropiere, ele pot transmite energie de la una la alta, atâta timp cât distanța dintre ele nu este mai mare decât lungimea de undă a radiației.

Să încercăm în urmatoarele rânduri să explicăm împreună cum funcționează această nouă modalitate de a transmite energia, folosindu-ne de câteva schițe intermediare. Să începem cu începutul și să ne reamintim că un curent electric ce trece printr-un inel metalic (o bobină) produce un câmp magnetic. În imaginea de mai jos (stânga) sensul curentului este indicat de săgețile roz, iar forma câmpului magnetic generat este indicată de liniile verde-albăstrui. Să remarcăm că forma liniilor de câmp magnetic este foarte asemănătoare cu cea a unui magnet, și că acest inel are două capete tăiate. Prin aceste capete se alimentează inelul cu curent electric pentru a produce câmpul magnetic.

Dacă curentul electric introdus în inel va fi oscilatoriu, tot așa va fi și câmpul magnetic generat. Să aducem apoi un alt inel metalic în apropierea primului inel care generează câmp magnetic oscilatoriu. Vom obține ceva ca în Figura de mai sus din stânga.

Acum, datorită legii inducției electromagnetice, fluxul magnetic ce străbate al doilea inel va genera o tensiune electrică oscilatorie de-a lungul acestuia, care va pune electronii în mișcare și va genera curent electric oscilatoriu. Este evident că prin această metodă putem transmite energie electrică de la primul inel (bobina emițătoare) la cel de-al doilea inel (bobina receptoare). În fond, această construcție de două bobine stă la baza tuturor transformatoarelor electrice, care transmit energia electrică dintr-un circuit electric in alt circuit electric. Această metodă de transmisie a fost încercată și de Tesla în anii 1920, pentru a transmite energia la distanță. Cu toate acestea, el nu a reușit în experimentele sale să trasmită energie la distanțe mari, și e văzut ușor de ce: densitatea liniilor de câmp receptate de al doilea inel scade odată cu creșterea distanței dintre inele, cu alte cuvinte câmpul magnetic receptat de al doilea inel va fi din ce în ce mai mic.

Există însă și o altă problemă mai puțin evidentă. Aceasta are de-a face cu construcția ne-rezonantă a sistemului, care face „greoaie” transmiterea de energie. Să luăm exemplul primului inel. Aici energia este introdusă în inel sub forma curentului electric oscilatoriu generat, iar pierderile de energie au loc datorită rezistenței electrice finite a inelului metalic. Frecvența acestei oscilații poate lua orice valoare. Situația este asemanatoare cu cea în care vrem să tragem înainte și înapoi un copil pe sanie: este greoi. Mai eficient și mai ușor este să punem copilul în leagăn și să împingem leagănul în tandem cu oscilația naturală a acestuia (oare a încercat cineva vreodată o alta frecvență?). Intrând în rezonanță cu frecvența naturală de oscilație a leagănului, putem să dăm copilul în leagăn împingând chiar și cu un singur deget…

În același fel, grupul de la MIT a decis să optimizeze felul în care energia este adusă în prima bobină și să creeze un sistem rezonant dintr-o bobină și un condensator. În acest sistem rezonant, condensatorul se descarcă pe bobină, creând un curent electric, iar bobina generează tensiune electrică datorită variației de curent, încărcând la loc condensatorul. Pentru a menține această oscilație, tot ce avem de făcut este să „pompăm” câte puțină energie electrică la frecvența de rezonanță a circuitului. Nimic special până aici, căci aceste circuite oscilante sunt folosite în toate stațiile de emisie și receptoarele radio, pentru a genera sau recepta câmpul electromagnetic pe frecvența dorită. Cu toate acestea, ele au o problemă fundamentală pentru transmisia de energie: emit radiație electromagnetică, și deci își disipă repede energia în aer! Pentru radiouri nu ne pasă prea mult, căci noi nu vrem să captăm energie, ci informație, și ne permitem să aruncăm sute de wați pentru a recepta câțiva miliwați . În cazul transmisiei de energie nu vrem însă să disipăm energia aiurea în spațiu!

O soluție studiată deja teoretic de cei de la MIT pentru a rezolva această problemă a fost construirea unui inel rezonator, care să disipe cât mai puțină energie în aer. Soluția studiată de ei înainte poate fi găsită într-o lucrare disponibilă on-line fără subscripție aici, din care vom reproduce și noi câteva imagini. În figura următoare prezentăm schița sistemului rezonator studiat.

După cum se vede, soluția investigată presupune integrarea condensatorului exact în inelul metalic ce formează bobina. În lucrarea menționată mai devreme, cercetătorii de la MIT prezintă cum au optimizat parametrii pentru ca rezonatorul să aibă pierderi de energie cât mai mici și să emită cât mai puțină energie în spațiu. Într-o primă fază, parametrii au fost aleși în așa fel încât lungimea de undă a radiației care se formează oricum să fie mult mai mare decât dimensiunea bobinei. Apoi ei au ajustat capacitatea condensatorului, căci ea dă frecvența de oscilație a rezonatorului. Dacă acest condensator are o capacitate mică, atunci crește frecvența de oscilație, scade lungimea de undă și rezonatorul disipează energie în toate direcțiile de spațiu (ceea ce nu ne dorim). Dacă în schimb condensatorul are o capacitate mare, atunci scade frecvența de oscilație, conducând la pierderi rezistive în bobina de cupru (ceea ce iarăși nu ne dorim). După cum se vede, există un optimum, iar pentru acest optim rezonatorul disipează foarte puțină energie. Câmpul magnetic generat de acest rezonator poate fi văzut în Figura de mai jos (partea din stânga) luată din articolul citat mai devreme:

În experimentele prezentate recent, cercetătorii de la MIT au construit două bobine rezonante (cu o frecvență optimală de 10MHz), una emițătoare și alta receptoare, după un sistem asemănător considerațiilor teoretice. Apoi au așezat bobina receptoare la o depărtare de câțiva metri de bobina emițătoare. Disțanta dintre bobine este însa mai mică decât lungimea de undă a radiației generate în mod normal de oscilator. Aceasta pentru a rămâne în așa-numita „zonă evanescenta” a câmpului electromagnetic, unde receptarea de energie este eficientă. În figura de mai sus (dreapta) se vede schema propunerii teoretice precedente, cu intensitatea câmpurilor magnetice reprezentată cu roșu.

În final, cercetătorii au pus un bec de 60W în serie cu cea de-a doua bobină rezonantă, pentru a-l alimenta cu energie de la prima bobină rezonantă, energie primită prin aer datorită legilor inducției magnetice despre care am vorbit. Mai jos prezentăm și fotografia cu experimentul original, în care se văd becul și cele două bobine utilizate.

În urma experimentului, cercetătorii au reușit să aprindă de la distanța de 1m becul de 60W. Au așezat chiar și panouri intermediare între cele două bobine pentru a arăta cum câmpul magnetic penetrează acei pereți. Eficiența raportată de ei este de 40%. Restul de 60% de energie se pierde fie în radiație, fie în rezistența electrică finită a bobinelor de cupru.

Aplicațiile acestor rezultate sunt nenumarate. Totuși se așteaptă ca într-o primă instanță să apară astfel „Stații de încărcare” WiTricity în fiecare casă. Odată veniți acasă nu trebuie decât să așezăm telefonul mobil sau laptopul în apropierea unei astfel de stații, și ele se vor încărca automat, prin aer. Desigur că în acest caz mărimea câmpului magnetic poate fi o problemă, pentru că ea poate dăuna corpului uman. Pe de altă parte, folosirea câmpului magnetic este o alegere bună față de câmpul electric, pentru că el este mult mai puțin nociv pentru organismul uman.

Un articol mai vechi (de acum patru luni) care trateaza acest subiect se poate gasi si lawww.marianbanica.ro.

Sursa originală: MIT.

2007-06-09

cristipresura
M-am născut în 1971 și am urmat studiile facultăților de electrotehnică și fizică. Am lucrat la Institutul de Fizică Atomică iar în 2002 am obținut doctoratul în fizică la Universitatea Groningen, Olanda, unde am caracterizat proprietățile optice ale sistemelor corelate de electroni, colaborând cu Anthony J Leggett, membru al comisiei de doctorat și laureat al premiului Nobel în fizică 2003. Am publicat în reviste de specialitate ca Physical Review Letters și Science. În prezent sunt cercetător la compania Philips, Olanda unde, împreună cu echipa mea, am inventat și introdus pe piață primul ceas capabil să măsoare pulsul sportivilor numai pe baza senzorilor optici. Sunt membru al asociației cercetătorilor români Ad Astra și fondator al asociației Știință pentru Toți.
cristipresura
Eindhoven (Olanda)

Abonează-te la newletter:

Caută în site



Formular de contact

Advertisment ad adsense adlogger