Идея
В 1891 году Тесла зажигал лампочки в руке без проводов — публика считала это магией. Сегодня тот же принцип работает в каждом Qi-зарядном устройстве.
Резонансная индуктивная связь: два LC-контура настроены на одну частоту. Энергия переходит между ними через магнитное поле с эффективностью 80–95% на расстоянии до нескольких сантиметров. Без резонанса — эффективность падает катастрофически. Тесла понял это первым и построил на принципе всю концепцию Уорденклифа (которую мы здесь не воспроизводим).
Уровень 1: катушки из провода (200 руб.)
Две катушки из медного провода ПЭВ 0.3 мм (~100 витков каждая), генератор 555 или мультивибратор на транзисторах, светодиод.
Настройка в резонанс конденсатором — момент резонанса виден по резкому росту яркости LED. Можно измерить КПД: Pвых/Pвх через измерения тока и напряжения.
Уровень 2: готовый Qi-модуль (500 руб.)
Готовый передатчик Qi + катушка приёмника из аккумулятора телефона. Эксперименты: влияние расстояния, соосности, экранирования (металлический лист между катушками). Строим график КПД(d) — сравниваем с теорией (1/d³).
Уровень 3: измерение резонансной кривой (800 руб.)
Генератор AD9833 (DDS) + ESP32 + датчик тока INA219. Sweep по частоте: строим АЧХ передачи, измеряем добротность Q обеих катушек. Результат — красивая лорентцевская кривая, точно как в теории Тесла.
Историческая справка
Тесла продемонстрировал беспроводную передачу энергии в лаборатории на Хьюстон-стрит, Нью-Йорк (1899). Получил патент US645576 (1900). Принцип переоткрыт группой MIT (Kurs et al., Science, 2007) — статья получила широкий резонанс и привела к созданию стандарта Qi.
Вопросы для обсуждения
-
КПД резонансной передачи ~80–95% на расстоянии нескольких сантиметров, но падает с расстоянием как 1/d³. Почему именно кубическая зависимость, а не квадратичная (как у света)? Что это говорит о природе поля между катушками?
-
Без резонанса между катушками КПД падает «катастрофически». Почему? Что физически происходит при расстройке частот — куда девается непереданная энергия?
-
Тесла мечтал передавать энергию через Землю и ионосферу глобально. MIT в 2007 году передала 60 Вт на 2 метра через воздух с КПД 40%. Какой принципиальный физический барьер не позволяет масштабировать этот принцип на сотни метров и километры?
-
Смартфон, лежащий на Qi-зарядке, нагревается. Откуда тепло? Проследите полный путь потерь: от розетки до аккумулятора телефона — сколько процентов электроэнергии превращается в тепло и где именно?
-
Принцип Тесла переоткрыт в 2007 году. Почему? Ведь статьи и патенты Тесла были доступны. Что изменилось в технологиях или в постановке задачи, что сделало принцип практически интересным именно в 2007 году?