发布时间:15-11-10 14:32分类:技术文章 标签:电磁辐射 实际上无线供电的设想早在一百多年前*已经出现。早在1890年,尼古拉•特斯拉(Nikola Tesla),这位现代交流电系统的奠基者*开始构想无线供电方法[8],*后提出了一个非常宏大的方案——把地球作为内导体、距离地面约60千米的电离层作为外导体,在地球与电离层之间建立起大约8Hz的低频共振,再利用环绕地球的表面电磁波来远距离传输电力。他想像电能能像广播一样传遍全球。1900年,特斯拉得到了150,000美金的研究经费(51%来自于J.P.摩根),并开始计划建造华登克里夫塔(Wardenclyffe Tower,见图1.1),这个塔一度被当时的报纸称为“特斯拉的百万大建筑”,特斯拉希望用这个塔进行跨大西洋的无线电广播和无线电能传输实验。特斯拉*终建成了一座高187英尺的铁塔,铁塔顶部有一个直径为68英尺的半球型圆顶。铁塔尚未完工,特斯拉*迫不及待地开始了他的实验。而1908年通古斯大爆炸之后,特斯拉停止了无线电能传输实验。 甚至有人怀疑,1908年的通古斯大爆炸也与特斯拉的华登克里夫塔有关,由于纽约市民关于华登克里夫塔实验现象的描述和通古斯事件目击者观察到的征状相符,同时在通古斯大爆炸前后,特斯拉曾多次到图书馆查阅中西伯利亚地区的地图。后来因为摩根的撤资,特斯拉陷入了经济困难,华登克里夫塔也被拆除抵债。尽管特斯拉的研究*终没有结果,但是他当初的无线输电构想*是足够大胆。 到了20世纪20年代中期,日本的H.Yagi和S.Uda论述了无线输电概念的可行性;30年代美国的学者也开始研究不利用导线去点亮电灯的输电方案。随着大功率、高效率真空电子管微波源的研制成功,20世纪60至70年代之间Raytheon公司的William C. Brown做了大量的无线供电方面的研究工作[6][7],使得这一概念变成试验结果,奠定了现代无线供电的实验基础,他设计了结构简单、高效率的半波电偶极子半导体二极管整流天线,把它放在用来反射电磁波的导电平板之上,纯电阻作为负载,用低噪声、高效率的放大管和磁控管作为微波源,将频率为2.45GHz的微波能量转换为直流电。此后Brown又对实验方法不断改进,如从喇叭天线、反射面天线到相控阵天线、从一般二极管到势垒二极管,用铝条构造半波电偶极子和传输线等,射频能量转换为直流电的效率也不断提高,他所演示的直流-直流转换效率达到54%左右。 从90年代起,由于无线通信频率的扩展,为避免对2.45GHz频段通信潜在的干扰,美国宇航局倾向把5.8GHz的频率用于无线供电,这两个频率点的大气穿透性都很好,相应元器件的转换效率都很高。1998年5.8GHz印刷电偶极子整流天线阵转换效率达到了82%[9][10]。莫斯科大学以B.Л.Caввин、B.A.Baнкe为首的研究组也在无线供电与卫星太阳能电站方面进行了大量理论与实验研究,研制出了无线供电的关键器件—快回旋电子束波微波整流器,从1996年开始已将有关回旋波整流器的技术提供给日本京都大学的Mat-sumoto、Shinohara等人,计划在“自由号”国际空间站的日本模块上进行试验2000年以后,国际上已经掀起了对无线电能传输技术研究与应用的热潮,无线供电技术也越来越频繁的在各大通信技术展、电源新技术展上露面,各大公司也纷纷推出自己的研究成果。2007年6月,麻省理工大学的物理学助理教授Marin Solijacic和他的研究团队公开做了一个演示(见图1.2),他们给一个直径60厘米的线圈通电,点亮了大约2m之外连接在另一个线圈上的60瓦灯泡。演示装置包括直径为3英尺的匹配铜线圈,以及与电源相连的工作频率在MHz范围的传输线圈,接受线圈在非辐射性磁场内部发生谐振,并以相同的频率振荡,然后有效地利用磁感应来点亮灯泡[3][4]。此外他们还发现,即使两个谐振线圈之间存在障碍物时,也能让灯泡继续发光。这项被命名为“WiTricity”的技术*是运用了共振的原理,通过一个磁共振系统进行电能传输。据Marin小组称,至2008年他们已经将传输效率提高到了90%。这意味着,该技术已经具备了实用化的条件,他本人也因为这一发明获得了麦克阿瑟基金会2008年的天才奖。不过,该技术仍旧面临着一些问题,使用的铜线圈非常笨重,足有0.6米高,如果要想实现整座房间内的电器都能自动充电,铜丝线圈的直径预计将达2.1米。

引子

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问:据说无线供电技术将进入家庭,用电像用WIFI一样方便,你怎么看?

2009年6月,央视10套科教频道《人物》栏目曾推出两集纪录片——《科学超人尼古拉•特斯拉》。全片围绕俄国著名的通古斯大爆炸展开,认为特斯拉“要对这场通古斯大灾难负全部责任。”虽然片中充斥着“专家”的访谈,但是大部分的内容并没有科学依据,甚至可以说是伪科学。原本大家就对特斯拉不甚了解,现在更是蒙上了一层神秘的面纱。通古斯大爆炸怎么会和特斯拉扯上关系呢?让我们慢慢道来。

特斯拉身后留下很多谜。

在19世纪末,尼古拉·特斯拉曾经进行过无线输电实验。在特斯拉的设想中,电力传到远方的用电设备无需借助导线传播,而是直接在空中传播,从而极大降低输电成本。

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不需要电线,随意将电能输送到数万千米之外,让每个人都能用上便宜甚至免费的电能,这就是无线供电的未来。

特斯拉的无线输电原理利用到了现在被称为舒曼共振的一种全球性的电磁共振。地球表面和电离层形成一个空腔或者说电容,闪电的放电能够产生和激发全球性的电磁共振,在7.83赫兹出有一个明显的峰值。

这是不可能发生的事,凡是说可能的,都是对供用电知识不了解的人,但凡是搞了多年的供电的技术人员,都不会同意这种说法。人们之所以对某个实物想入非非,就是因为他不了解,真正深入了解了,也就不会再有想入非非了。用一个灯泡举例,灯泡发出的光线是以一个球面不断向四周扩散的,众所周知,球面和直径是立方的关系,也就是说直径增加一倍,球的表面积要大8倍!如果表面积为1的球形发光体,到达距离为10的距离,球形面积要增加到1000,由于光线在球形面积上是均匀分布的,面积增加1000倍,意味着光的单位面积强度就减小1000倍,如果你在此处用面积为1的东西接受光线,那么你只能接受到千分之一。如果用此方法传输电能,假如用一个表面积为1平方米的功率源发射功率,那么你在距离100米的距离用1平方米的接受装置接受,那你也只能接受到百万分之一的能量,也就是说他要用一百万千瓦的功率,带动你一个千瓦的电器,那百分之无数个九就都浪费了,可能吗?这还只是说100米,再远呢?总不能每隔一二百米就安装一个发射源吧。而无线电信号,例如手机,手机接受到非常微弱的信号,然后要将其放大成千上万倍才能从听筒里放出声音来,而放声音的功率并不是来自基站,而是来自手机电池,信号可以被放大,而能量不可能被放大,人们现在可以把一个微伏级别的声音信号按原来原样放大成毫伏级信号,,甚至伏特级别的信号,谁能把一千瓦的功率放大成十千瓦的功率?所以能量传输和信号传输是完全不同的两码事,现有的手机无线充电是通过电磁感应原理,磁场不可能远距离发挥作用。当然也不是没有远距离进行能量传输的技术,微波是可以进行远距离的能量传输,其实微波炉就是无线传输能量的最好实例,但是问题是微波传输能量只能直线传播,而且只能是点对点,也就是说一个发射源对应一个接受源,那一千个用户就得有一千个发射源,这显然不现实。另外微波传输中间不能有阻挡物,城市里高楼大厦怎么办?还有一个大家都应该知道,微波对人体有伤害,这就是微波炉为什么都带门开关,开着门微波炉是不能工作的,这边正在进行微波传输,那边高空作业人员正在维修大楼外墙,一不小心碰到了微波(微波是看不见的),瞬间成了烤乳猪。

尼古拉•特斯拉

至今仍然有人对此深信不疑:1943 年秋 ,7 个巨大的“特斯拉线圈”向停泊在费城的中型驱逐舰艾尔德里奇号定向发送了强大的电能,并且在10 分钟之后使它得以瞬间消失。有人说,那7 个也被人称为“磁暴线圈”的装置所发出的能量足以支持所谓的“空间跳跃”,它们正是美国军方按照爱因斯坦相对论的理论计算结果来设置的。

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我说一个不闻名的传奇人物——尼古拉·特斯拉。