Forskere og forskere fra Moscow Institute of Physics and Technology og ITMO University præsenterer en måde at øge effektiviteten af trådløs strømoverførsel over lang afstand.
Team af forskere fra MIPT og ITMO University testede det med numerisk simulering og eksperimenter. For at opnå dette transmitterede de strøm mellem to antenner. Som et resultat blev en af dem begejstret med et tilbage-udbredelsessignal med specifik amplitude og fase.
"Begrebet en sammenhængende absorber blev introduceret i et papir, der blev offentliggjort tilbage i 2010. Forfatterne viste, at bølgeinterferens kan bruges til at kontrollere absorptionen af lys og elektromagnetisk stråling generelt," minder MIPT-doktorand Denis Baranov.
"Vi besluttede at finde ud af, om andre processer, såsom elektromagnetisk bølgeforplantning, kan styres på samme måde. Vi valgte at arbejde med en antenne til trådløs strømoverførsel, fordi dette system ville have stor gavn af teknologien," siger han. "Nå, vi var meget overraskede over at finde ud af, at strømoverførslen faktisk kan forbedres ved at sende en del af den modtagne strøm fra opladningsbatteriet tilbage til den modtagende antenne."
Trådløs kraftoverførsel oprindeligt foreslået af Nikola Tesla i 19 th århundrede. Han brugte princippet om elektromagnetisk induktion, som vi ved Faradays lov siger, at hvis en anden spole placeres i magnetfeltet i den første spole, inducerer den en elektrisk strøm i den anden spole, som kan bruges til forskellige applikationer.
Figur. 1. Stiplede linjer i magnetfelterne omkring to induktionsspoler illustrerer princippet om elektromagnetisk induktion
I dag, hvis vi taler om rækkevidden af trådløs overførsel, betyder det nøjagtigt øverst på opladeren. Problemet er, at styrken af det magnetfelt, der genereres af spolen i opladeren, er omvendt proportional med afstanden fra den. På grund af dette fungerer den trådløse overførsel kun i afstand mindre end 3-5 centimeter. Som en løsning på det øges størrelsen på en af spolerne eller strømmen i den, men det betyder for et stærkere magnetfelt, som potentielt er skadeligt for mennesker omkring enheden. Der er også nogle lande, der har lovlige grænser for strålingseffekt. Som i Rusland bør strålingstætheden ikke overstige 10 mikrowatt pr. Kvadratcentimeter omkring celletårnet.
Strøm Sendes gennem et luftmedium
Trådløs strømoverførsel er mulig ved forskellige metoder som overførsel af fjernfelt energi, stråling og brug af to antenner, hvoraf den ene sender energi i form af elektromagnetiske bølger til den anden, som yderligere omdanner stråling til elektriske strømme. Den sendende antenne kan ikke forbedres væsentligt, fordi den stort set bare genererer bølger. Den modtagende antenne har meget flere forbedringsområder. Den absorberer ikke al den indfaldende stråling, men udstrålede noget af den tilbage. Generelt bestemmes antennens respons af to nøgleparametre: henfaldstiden τF og τw i henholdsvis ledig pladsstråling og i det elektriske kredsløb. Forholdet mellem disse to værdier definerer, hvor meget af energien, der bæres af en indfaldende bølge, "ekstraheres" af den modtagende antenne.
Figur 2. Modtageantenne. SF betegner indfaldende stråling, mens sw− er den energi, der i sidste ende går ind i det elektriske kredsløb, og sw + er hjælpesignalet. Kredit: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
Imidlertid sender modtageren et hjælpesignal tilbage til antennen, og signalets fase og amplitude svarer til de indfaldende bølger, disse to vil interferere og potentielt ændre andelen af ekstraheret energi. Denne konfiguration diskuteres i papiret, der rapporteres i denne historie, som blev skrevet af et MIPT-team af forskere fra Denis Baranov og ledet af Andrea Alu.
Udnyttelse af interferens for at forstærke bølger
Før de implementerede deres foreslåede transmissionskonfiguration i et eksperiment, vurderede fysikerne teoretisk hvilken forbedring på en regelmæssig passiv antenne den kunne tilbyde. Det viste sig, at hvis den konjugerede matchende betingelse er opfyldt i første omgang, er der ingen forbedring overhovedet: Antennen er perfekt indstillet til at begynde med. For en detuneret antenne, hvis henfaldstid adskiller sig markant - det vil sige, når τF er flere gange større end τw, eller omvendt - har hjælpesignalet en mærkbar effekt. Afhængigt af dens fase og amplitude kan andelen af absorberet energi være flere gange større sammenlignet med den samme detunerede antenne i passiv tilstand. Faktisk kan mængden af absorberet energi blive så høj som en tunet antenne (se figur 3).
Figur 3. Grafen i (a) viser, hvordan forskellen mellem modtaget og forbrugt strøm, kendt som energibalancen Σ, afhænger af hjælpesignaleffekten for en detuneret antenne med τw 10 gange større end τF. Det orange skraverede område dækker området for mulige faseskift mellem den indfaldende bølge og signalet. Den stiplede linje repræsenterer den samme afhængighed for en antenne, hvis τF og τw parametre er ens - det vil sige en tunet antenne. Graf (b) viser forstærkningsfaktoren - forholdet mellem den maksimale energibalance Σ og energibalancen for en passiv detuneret antenne - som en funktion af forholdet mellem antennens henfaldstider τF / τw. Kredit: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
For at bekræfte deres teoretiske beregninger modellerede forskerne numerisk en 5 centimeter lang dipolantenne tilsluttet en strømkilde og bestrålede den med 1,36 gigahertz-bølger. Til denne opsætning faldt afhængigheden af energibalance af signalfase og amplitude (figur 4) generelt sammen med de teoretiske forudsigelser. Interessant nok blev balancen maksimeret til et nul faseskift mellem signalet og den indfaldende bølge. Forklaringen fra forskerne er denne: I nærvær af hjælpesignalet forbedres antennens effektive blænde, så den samler mere formeringsenergi i kablet. Denne stigning i blænde er tydelig fra Poynting-vektoren omkring antennen, som indikerer retningen af overførsel af elektromagnetisk strålingsenergi (se figur 5).
Figur 4. Resultater af numeriske beregninger for forskellige faseforskydninger mellem den indfaldende bølge og signalet (sammenlign figur 3a). Kredit: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
Figur 5. Poynting vektorfordeling omkring antennen til en nul faseskift (venstre) og en faseskift på 180 grader (højre). Kredit: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
Ud over numeriske simuleringer udførte holdet et eksperiment med to koaksiale adaptere, der fungerede som mikrobølgeantenner og var placeret 10 centimeter fra hinanden. En af adapterne udstrålede bølger med kræfter omkring 1 milliwatt, og den anden forsøgte at samle dem op og overføre energien til et kredsløb gennem et koaksialkabel. Da frekvensen blev indstillet til 8 gigahertz, fungerede adapterne som tunede antenner og overførte strøm næsten uden tab (figur 6a). Ved lavere frekvenser steg amplituden af reflekteret stråling imidlertid kraftigt, og adapterne fungerede mere som detunerede antenner (figur 6b). I sidstnævnte tilfælde lykkedes det forskerne at øge mængden af transmitteret energi næsten ti gange ved hjælp af hjælpesignaler.
Figur 6. Eksperimentelt målt energibalanceafhængighed af faseforskydning og signaleffekt for en tunet (a) og detuneret (b) antenne. Kredit: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
I november demonstrerede et team af forskere, herunder Denis Baranov, teoretisk, at der kan laves et gennemsigtigt materiale til at absorbere mest indfaldende lys, hvis den indkommende lyspuls har de rigtige parametre (specifikt skal amplituden vokse eksponentielt). Tilbage i 2016 udviklede fysikere fra MIPT, ITMO University og University of Texas i Austin nano-antenner, der spreder lys i forskellige retninger afhængigt af dets intensitet. Disse kan bruges til at oprette ultrahurtige datatransmissions- og behandlingskanaler.
Nyhedskilde: MIPT