Iznenađujuće stara fizika bežičnog punjenja

Čitava ideja bežičnog punjenja ima osećaj življenja u budućnosti (potpomognut činjenicom da je poslovna strana u velikoj meri u toku), ali to je zapravo fizika prošlosti. Često ćete ga smatrati pripisanim svecu zaštitniku Interneta, Nikoli Tesli, ali fizika iza nje je od skoro jednog stoljeća ranije, koju je razvio tip koji vjerojatno treba da ga više poštuju kookovi (ali koji na sreću nije).

l

Fizika u srcu ovoga je samo elektromagnetska indukcija, koja je labavo rečena ideja da promjena magnetnog polja stvara električno polje. Ako imate magnet, i krećete ga okolo, to će pokrenuti naelektrisane čestice u blizini. Stvarno je sjajna stvar u tome, međutim, to što polje indukovano promjenljivim magnetnim poljem ima različita svojstva od bilo kojeg polja koje možete stvoriti stavljanjem nabijenih čestica u neki statički raspored. Dok će bilo koji raspored statičkih naboja prouzrokovati kretanje punjenja od tačke A do tačke B, indukovana polja mogu ih natjerati da idu u krug – od A do B i natrag u A.


Dokle god imate magnetno polje koje se menja, onda možete prouzrokovati da struja teče u obližnjoj petlji od žice, i ta struja se može koristiti za obavljanje korisnih stvari. Kao što je punjenje baterije vašeg mobilnog telefona. Struja će nastaviti da teče sve dok se polje mijenja.

Kako ste dobili promjenjivo magnetno polje u blizini petlje žice? Pa, klasičan način da to učinite je da okrenete magnet ili žičanu zavojnicu. Magnetno polje ima određeni pravac povezan sa njim, a promjena relativne orijentacije polja i zavojnice matematički se ne razlikuje od promene čvrstoće polja. Rotirajući magnet u blizini petlje žice (ili obrnuto) čini polje koje se uvek mijenja i uvijek indukuje struju u petlji. Ovo je odgovorno za ogromnu većinu komercijalne električne energije koja se danas proizvodi (glavni izuzetak je solarna fotonaponska energija) – hidroelektrane koriste tekuću vodu za rotiranje turbina, a ugalj, plin ili nuklearne elektrane kuhaju vodu da bi napravili paru koja se koristi da se vrte turbine.

Naravno, nema mjesta za rotirajuću turbinu u bežičnoj stanici za punjenje za moj telefon. Umjesto toga, on koristi činjenicu da već imam električnu energiju u svojoj kući. Punjač pokreće oscilirajuću električnu struju kroz mali svitak žice, stvarajući oscilirajuće magnetno polje koje pokreće struju kroz odgovarajuću petlju unutar telefona, koja se zatim koristi za punjenje baterije. Ovakve stvari su, u stvari, bile jedna od Teslinih brojnih prijedloga za elegantnu električnu tehnologiju, ali ideja se može pratiti od 1820-ih, i jedna od mojih omiljenih figura u istoriji nauke, Michael Faraday.


Faraday je bio jedan od velikih naučnika Britanije 19. veka, koji je dao važan doprinos i fizici i hemiji. Njegov najvažniji doprinos, međutim, bio je otkriće indukcije; Jednadžba koja opisuje stvaranje električnih polja promenljivim magnetnim poljem često se u njegovoj časti naziva “Faradejev zakon”.

Faraday je bio pogođen radom Hansa Christiana Ørsteda, koji je pokazao da struja koja struji, odbija iglu obližnjeg kompasa, stvarajući vezu između elektriciteta i magnetizma. Faraday je nagađao da bi efekat trebalo da ide u oba smera, i osmislio demonstraciju da magneti mogu da pokrenu električne struje, koristeći magnet na dnu posude sa živom (zdravstveni i bezbednosni standardi su bili niži 1822. godine) strujni provodnik. Gotovo deceniju kontinuiranih eksperimenata sa magnetima i strujama dovelo je do ideje indukcije, prikazane pomeranjem magneta ui iz kalema žice i posmatranjem indukovane struje.

Spomenuo sam da Faraday treba da bude više poštovan od strane kookova, i to je upravo zbog ovih eksperimenata. Naša moderna ideja o električnim i magnetnim poljima može se pratiti do Faradaya, koji je raspravljao o svojim elektromagnetnim eksperimentima u smislu “linija sile” koja ispunjava prostor oko magneta i žica koje nose struju. Ove ideje nisu pronašle mnogo vučnosti u naučnim saznanjima tog vremena, velikim delom zato što je Faradejeva pozadina – rođen je u siromašnoj porodici i imao malo formalnog obrazovanja – nije mu omogućio da izrazi neophodne ideje u strogi matematički pojmovi. To je moralo da sačeka do 1860-ih, kada je James Clerk Maxwell stavio ideje Faraday-a i druge zajedno da naprave potpunu formalnu teoriju elektromagnetizma.


Dakle, dok su ljudi koji mi šalju (i bilo koji drugi fizičar sa prisustvom na mreži) skice svoje teorije o svemu, skloni navođenju Einsteina kao inspiracije, oni bi zaista trebali gledati na Faradaya. Ajnštajn je, za razliku od mita, uvijek imao izuzetnu matematičku sposobnost i imao je veoma dobro formalno obrazovanje. Ako želite historijski primjer tipa koji je imao briljantne uvide koje su se pokazali apsolutno ispravnim, ali nije mogao da hakuje vektorski račun da bi ih prihvatio, Faraday je vaš tip.

(Iako, ako planirate da Faradaya prihvatite kao uzor, proučite njegovu fascinantnu biografiju i razmislite o tome da podcrtavate njegovu ekstremnu poniznost prije nego što pošaljete svoju tešku teoriju o svemu …)

Međutim, ako potrebna fizika za bežično punjenje traje skoro dva vijeka, zašto je tehnologija još uvijek u relativnom djetinjstvu u 2016. godini? U osnovi, zbog dosadne, zemaljske nauke o materijalima.

Vidite, količina struje koju možete indukovati magnetnim poljem zavisi od jačine tog polja, a magnetna polja padaju veoma oštro sa daljinom. To znači da će bežično punjenje zasnovano na indukciji uvijek biti manje efikasno nego direktno priključivanje baterije u izvor napajanja povezan sa zavojnicama od žice u magnetnom polju. Možete igrati neke trikove sa rezonantnim krugovima da bi ovo malo poboljšali – moderni bežični punjači koriste parove zavojnica koje su podešene da osciliraju na istoj prilično visokoj frekvenciji – ali na kraju, morate da nabavite zavojnicu kao blizu zavojnice izvora kao što možete. Zbog toga, kada stavim svoj telefon na bežičnu stanicu za punjenje, prvo moram malo da ga pomjerim da bih pronašao najbolje poravnanje između zavojnica.


Bežično punjenje je (praktično jedva) praktično danas jer su materijali i tehnologija proizvodnje napredovali do tačke u kojoj možemo napraviti male, tanke zavojnice koje proizvode potrebna magnetska polja i primaju dovoljno indukovane struje da bi se isplatilo. Još u 1800-ima, Faradayu je bio potreban ogroman elektromagnet da bi otkrio svoja otkrića, a Teslini planovi za bežični prenos energije uključivali su ogromne kule. Međutim, zahvaljujući decenijama usporenih, stabilnih poboljšanja od strane ljudi koji se priključuju na dosadna ne-seksi polja, možemo sve uklopiti u zgodan, prenosiv paket.

I to je mješavina revolucionarnog uvida i teškog rada koji je doveo do moje nove sjajne igračke.

Izvor: https://www.forbes.com/sites/chadorzel/2016/01/11/the-surprisingly-old-physics-of-wireless-charging/#2272d6aa2e0a

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *