Ток без проводов: Скажите «ци»!

Беспроводное электричество... для каждого это означает свое, но для большинства современных людей это — замечательная мечта о мире, в котором, наконец, не будет проводов и кабелей. Разумеется, революция не совершится в один день, но выпуск первого стандарта означает скорое появление и первых устройств, способных полностью обходиться без проводов. Пока что подразумевается, что заряжать можно будет лишь гаджеты мощностью не выше 5 Вт — но этого уже достаточно для мобильного телефона или МР3-плеера. Планируется, что Qi-совместимые (пора привыкать к новому слову) устройства смогут подзаряжаться, просто лежа на унифицированном «коврике», благодаря явлению магнитной индукции.

Проблемы с проводами далеко не ограничиваются вечно спутанным пыльным клубком, в который они неизбежно превращаются за удивительно быстрое время. Это еще и достаточно высокая стоимость, и необходимость использования цветных металлов, и так далее. Так что системы беспроводной передачи электричества интересуют ученых и изобретателей довольно давно.

Скорее всего, первым в этой области был Никола Тесла (об его удивительной судьбе и споре с Томасом Эдисоном читайте: «Битва электрических королей»), предложивший подобную идею еще в конце XIX — начале XX вв. Он же и продемонстрировал такую возможность на экспериментальной установке. Демонстрация была впечатляющей, но — увы — не привела к тому, что беспроводная передача электричества распространилась повсеместно. Слишком несовершенна, опасна и дорогостояща была технология, слишком велики были потери. С тех пор предложен целый ряд подобных решений, работающих на разных принципах. Одни из них даже воплощены в бытовых устройствах, другие остались лишь на бумаге.

На самом деле, в беспроводной передаче энергии нет абсолютно ничего нового. Любое электромагнитное излучение несет энергию, и чем выше его частота — тем больше ее. Несут энергию радиоволны, волны телевизионной трансляции (от них даже можно запитать небольшое устройство: «Энергия эфира») и сигналы беспроводной WiFi-сети, рентгеновское излучение. Впрочем, такой способ передачи энергии был бы слишком расточителен и небезопасен. Тем более что имеются и другие решения.

Взять, к примеру, обычную электрическую зубную щетку. Во многих из них для этой цели используются индуктивно связанные контуры. Напомним, что движение заряда создает электромагнитное поле — в том числе, и движение тока по проводу. Каждый раз, когда загорается лампочка, вокруг идущих к ней проводов возникают невидимые «бублики» силовых линий поля. А если поместить такой провод в катушку индуктивности, поле это будет усиливаться, причем чем больше витков второй проволоки накручено на катушку, тем сильнее.

Теперь поместим в это поле вторую такую же катушку: готово. Электромагнитное поле заставило двигаться заряд по ее проводу — ток пошел. Электрическая зубная щетка начала подзаряжаться, без всяких проводов и разъемов, которые на самой щетке были бы и негигиеничны, и небезопасны. Все провода подходят только к зарядному устройству. Тот же принцип можно использовать и для зарядки других устройств — и его намерены воплотить участники «беспроводного» консорциума, создав единый протокол для производства универсальных устройств для подзарядки своих гаджетов.

К слову, это уже не первое подобное решение: заряжающие устройства Splashpower и Edison Electric PowerDesk используют такой же принцип. Однако с ними до сих пор оставалась главная проблема — отсутствие на рынке устройств, способных «принимать» такой вид зарядки. Именно эту проблему и должен решить консорциум. Таким же способом можно «зажечь» и куда более энергоемкие приборы, нежели МР3-плеер. К примеру, не так давно мы рассказывали о том, как инженерам удалось запитать этим путем вполне нормальную 60-ваттную лампу — без проводов: «Физики зажгли». Однако для этого нужно сделать следующий шаг.

Дело в том, что обычные провода (как в зубной щетке) создают слишком слабые электромагнитные поля, тем более что напряженность их падает пропорционально квадрату расстояния. Поэтому для того, чтобы в «принимающем» устройстве индуцировать ток, его необходимо расположить очень близко к «передающему». Чтобы добиться эффективной передачи энергии на большие расстояния (хотя бы порядка нескольких метров), можно попытаться создать более мощное поле. Однако это будет совсем неэффективным решением, ведь оно распространяется во всех направлениях, беспорядочно унося с собой массу затраченной энергии, лишь малая часть которой будет попадать на «принимающее» устройство.

Теоретическое решение этой проблемы было предложено в 2006 г. Марином Солячичем (Marin Soljacic) — мы писали об этом в заметке «Заряжай!». Для этого ученые предложили использовать явление резонанса. Материал, форма и структура объекта определяет его «естественную» частоту колебаний, которая является и резонансной. Иначе говоря, если частота внешнего возбуждающего воздействия оказывается равной этой величине, амплитуда собственных колебаний объекта резко возрастает. Именно резонанс ответствен за звучание музыкальных инструментов, он же возможен и в случае не акустических, а электромагнитных волн.

Вот почему Солячич предложил использовать электромагнитное поле, колеблющееся, «пульсирующее» с определенной частотой, подобранной таким образом, чтобы являться резонансной для катушки «принимающего» энергию устройства. При этом не требуется, чтобы возбуждающее поле было по-настоящему мощным: все решает резонанс. Более того, такой подход позволяет питать несколько устройств одновременно. И, кстати, именно он позволил некоторое время спустя успешно зажечь лампочку без проводов.