Chào mừng Bạn tham gia Diễn Đàn VNKienThuc.com - Định hướng Forum Kiến Thức
- HÃY TẠO CHỦ ĐỀ KIẾN THỨC HỮU ÍCH VÀ CÙNG NHAU THẢO LUẬN
Kết nối: VNK X - VNK groups | Nhà Tài Trợ: BhnongFood X - Bhnong groups - Đặt mua Bánh Bhnong

Trả lời chủ đề

Nội dung: <blockquote data-quote="Butchi" data-source="post: 18057" data-attributes="member: 7"> Không cần gắn dây   Ngày nay, chúng ta biết có nhiều phương pháp truyền điện mà không cần dây dẫn. Thí dụ đơn giản nhất là bức xạ điện từ, ví dụ như sóng vô tuyến. Các anten bức xạ theo mọi hướng là một trong những công nghệ được sử dụng rộng rãi nhất, chúng được tận dụng tối đa trong việc cung cấp dịch vụ Internet không dây, điện thoại di động, radio và truyền hình. Những anten này thường hoạt động ở ngưỡng tần số MHz-cao/GHz-thấp. Mặc dù những anten này hoạt động tốt và thích hợp cho sử dụng với máy thu di động, vì chúng có thể hoạt động ở mọi hướng và không cần một hướng nhìn thẳng đến máy thu, nhưng chúng rất không hiệu quả. Chỉ một phần hết sức nhỏ của năng lượng bức xạ theo hướng của máy thu thật sự được thu nhận, vì đa phần bức xạ bị thất thoát theo mọi hướng khác. Việc sử dụng anten định hướng cao, ví dụ như anten chùm vi sóng, trên nguyên tắc giải quyết được vấn đề này và thu được hiệu suất cao trong việc truyền điện cả trên những cự li dài (tức là hàng km). Mặt khác, loại anten này yêu cầu một đường nhìn không bị đứt quãng, tức là đòi hỏi một cơ chế lài chùm và theo vết dụng cụ phức tạp. Đồng thời, các chùm bức xạ tập trung điện năng cao có thể gây nguy hiểm.    Một giải pháp khác cho anten là sử dụng máy biến áp cảm ứng, một dụng cụ thường sử dụng trong các mạch điện và động cơ điện (ví dụ bàn chải điện và bộ nạp điện). Máy biến áp thường hoạt động đến tần số trung-kHz. Về cơ bản, nó biến đổi điện năng từ một mạch điện này sang mạch điện khác thông qua sự cảm ứng: từ thông biến thiên theo thời gian gây ra bởi cuộn dây sơ cấp đi qua cuộn thứ cấp và cảm ứng trong nó một điện áp. Các cuộn sơ cấp và thứ cấp thường không được nối với nhau trên phương diện vật chất, vì vậy phương pháp này là không dây. Máy biến áp có thể rất hiệu quả nhưng khoảng cách giữa các cuộn dây phải rất nhỏ (thường là vài milimet). Đối với những khoảng cách bằng vài lần kích cỡ các cuộn dây, hiệu suất giảm đi đáng kể.    Phần cơ sở vật lí cho đa số các phương pháp hiện có cho sự truyền tải điện không dây là nguyên lí cơ bản của sự cộng hưởng: tính chất của những hệ vật lí nhất định dao động với biên độ cực đại ở những tần số nhất định. Với bất kì loại kích thích nào (cơ, âm, điện từ, hạt nhân) có một tần số cho trước, một máy thu sẽ thu nhận năng lượng truyền tải hiệu quả chỉ khi nó được thiết kế để cộng hưởng ở tần số kích thích đó. Chỉ khi đó thì những kích thích liên tiếp sau mỗi chu kì dao động cộng gộp kết hợp cùng pha và dẫn tới sự tích góp năng lượng bên trong máy thu.  Để minh họa, hãy xét 100 cốc thủy tinh chứa đầy rượu ở mức khác nhau sao cho chúng ủng hộ sự cộng hưởng âm ở những tần số khác nhau. Giờ thì hãy để một tay chơi ghita điện tạo ra và duy trì một nốt rất rõ ràng. Chỉ một trong các cốc, cái cộng hưởng với tần số của nốt này, sẽ phản ứng với kích thích, co giãn nên nó có thể thậm chí bị vỡ, trong khi phần còn lại sẽ vẫn không bị ảnh hưởng gì. Tương tự, chúng ta điều chỉnh anten điện từ của một máy radio cho cộng hưởng với tần số của đài phát mà chúng ta muốn nghe. Nhiều máy biến áp sử dụng trong mạng lưới điện và ở mọi nơi còn được thiết kế khai thác sự cộng hưởng để tăng cường sự truyền công suất. Thí nghiệm tại MIT      Vì ngày nay, điện năng được phân phối đến từng nhà một trên khắp thế giới, nên không cần thiết truyền điện đi những khoảng cách xa như Tháp Wardenclyffe nữa. Truyền điện bên trong một căn phòng, ấy là trên khoảng cách vài lần lớn hơn cỡ của các dụng cụ thu (cái các kĩ sư gọi là khoảng cách tầm trung), là đủ cho đa số các ứng dụng hiện đại. Việc đạt tới mục tiêu này với hiệu suất thỏa mãn, an toàn và giá thành thấp vẫn là một bài toán chưa được giải. Đó là thách thức đối với Soljačić và các cộng sự của ông tại phòng thí nghiệm MIT: John Joannopoulos, Peter Fisher, Andre Kurs, Robert Moffatt và tôi.   <img src="https://thuvienvatly.com/home/images/stories3/hiepkhachquay/tintuc2/dienkoday2.jpg" alt="" class="fr-fic fr-dii fr-draggable " data-size="" style="" /> ”Hệ số phẩm chất”, Q, của một cuộn dây (xem chi tiết trong phần văn bản) có thể dùng để truyền tải điện không dây ở tần số khoảng 107 Hz khi Q đạt cực đại của nó, khi sự tổn thất kết hợp do hấp thụ điện trở (màu lục) và bức xạ (màu lam) là nhỏ nhất.    Trở lại với nguyên lí cơ bản của sự cộng hưởng, chúng ta có câu hỏi là những điều kiện vật lí nào làm tối đa hóa hiệu suất truyền năng lượng giữa hai vật cộng hưởng. Năng lượng của bất kì bộ cộng hưởng nào cũng tự nhiên bị suy thoái do các cơ chế mất năng lượng nội tại (ma sát đối với sự cộng hưởng cơ, sự bức xạ và hấp thụ do điện trở đối với cộng hưởng điện từ, sự va chạm với phonon và sự phát xạ tự phát đối với cộng hưởng nguyên tử). Các mất mát thường được định lượng bởi số chu kì dao động cần thiết để năng lượng giảm đi 2,72 lần. Con số này, được thể hiện bằng “hệ số phẩm chất” Q, là một tính chất nội tại của các bộ cộng hưởng và phụ thuộc vào cường độ của cơ chế thất thoát. (Là một trường hợp tương tự đơn giản, nước bên trong cái xô có một lỗ xì sẽ rò rỉ ra ở tốc độ phụ thuộc vào kích cỡ của cái lỗ).   Nếu hai vật cộng hưởng trao đổi năng lượng, thì còn cần một số đặc trưng các chu kì dao động để truyền năng lượng từ vật cộng hưởng A sang vật cộng hưởng B, con số này tỉ lệ với một hằng số định lượng cường độ ghép cặp giữa hai vật cộng hưởng, Qk. (Nếu nước được bơm từ xô này sang xô kia qua một cái vòi, thì thời gian truyền nước phụ thuộc vào cường độ bơm). Rõ ràng, để cho sự truyền năng lượng hiệu quả, Q cần phải lớn hơn Qk nhiều, tức là tốc độ truyền năng lượng cần lớn hơn nhiều so với tốc độ năng lượng bị thất thoát. (Nước sẽ được truyền hiệu quả hơn giữa hai cái xô bị rỉ nếu như máy bơm hoạt động nhanh hơn sự rò rỉ từ các lỗ xì). Hiệu suất của hệ khi đó có thể đặc trưng bởi thương số Q/Qk. Sự truyền năng lượng chỉ hiệu quả khi tỉ số này lớn hơn một, cái gọi là chế độ ghép cặp mạnh.  Đối với phương pháp không dây của chúng tôi, chúng tôi sử dụng một trong những mạch điện cơ bản nhất là vật cộng hưởng: mạch LC. Mạch điện này là một mạch cộng hưởng điện từ gồm một cuộn cảm (L), chế tạo bằng dây dẫn, và một tụ điện (C). Hai cuộn dây như vậy truyền năng lượng qua sự cảm ứng, giống như một dụng cụ biến áp, và Qk rõ ràng phụ thuộc vào khoảng cách giữa các cuộn dây. Đối với những khoảng cách tầm trung và bước sóng đủ dài, tốc độ suy thoái trong không gian của từ trường nghĩa là Qk đại khái tỉ lệ với lập phương của tỉ số khoảng cách giữa hai cuộn dây, D, và cỡ của mỗi cuộn dây, d, đồng thời biểu hiện sự phụ thuộc chút ít vào tần số và hình dạng của các cuộn dây. Điều này có nghĩa là, đối với những khoảng cách tầm trung, Qk sẽ lớn và sự ghép cặp rất yếu.    Kết quả là cách tốt nhất để tối đa hóa hiệu suất là thao tác kĩ thuật trên các bộ cộng hưởng để có giá trị khả dĩ cao nhất của Q (cố gắng hàn kín các lỗ xì trong cái xô). Tần số cộng hưởng của mỗi cuộn dây (phải bằng nhau đối với cả hai cuộn dây) có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi điện dung (và việc điều chỉnh một thành phần mạch điện chính là xoay cái nút vặn trên anten radio). Q biến thiên theo tần số có thể điều chỉnh đó, và sự biến thiên này được thể hiện trong hình ở trên đối với một cuộn dây có đường kính 60 cm cấu tạo từ ống dây đồng có bán kính 2 cm. Có thể thấy rõ, đối với những tần số MHz-cao, vật cộng hưởng mất năng lượng nhanh (Q thấp, thường nhỏ hơn 10) do bức xạ. Đây chính là cách thức một cái anten được thiết kế hoạt động như vậy. Tương tự, đối với những tần số trung-kHz, nó mất năng lượng nhanh (Q nhỏ hơn 100) qua sự hấp thụ do điện trở, hiện tượng điển hình của các máy biến áp. Điều này giải thích tại sao cả anten đa định hướng và máy biến áp đều không phải là những máy truyền tải điện năng hiệu quả ở những khoảng cách tầm trung: số đo thời gian truyền Qk lớn do D, và Q nhỏ. Mặt khác, trong chế độ MHz-thấp, trung bình, người ta thấy thời gian tổn thất dài hơn nhiều, với Q thường lớn hơn 1000. Đó là chế độ chúng tôi đã chọn.  Dựa trên lí thuyết của mình, chúng tôi bắt đầu các thí nghiệm vào cuối năm 2006. Những thách chủ yếu gồm việc thiết kế một mạch điều khiển sẽ hoạt động trong chế độ MHz-thấp như mong muốn của chúng tôi và chế tạo những cuộn dây cộng hưởng với giá trị đủ cao của Q. Sau một pha thử nghiệm và tìm sai sót, chúng tôi nhận ra rằng một thiết kế cuộn dây đơn giản không có một tụ rời, mà sử dụng điện dung riêng của cuộn dây để thu được sự cộng hưởng, là lựa chọn tốt nhất xét theo Q.    Chúng tôi đã chế tạo hai cuộn dây đồng với đường kính 60 cm và 5 vòng, sao cho chúng cộng hưởng ở 100 MHz và có Q = 1000. Một bóng đèn 60W là dụng cụ chúng tôi chọn, vì nó hoạt động ở tần số đã kiểm tra (và cái gì có thể là dấu hiệu rõ ràng hơn của sự hoạt động của một hệ so với việc bật một cái bóng đèn?). Chúng tôi treo các cuộn dây dưới trần nhà với dây lưới cá, ở cách nhau 2 m, bật chúng lên và…có ánh sáng. Ở hiệu suất 45%, với kiến thức của chúng tôi thì đây là minh chứng đầu tiên của sự truyền điện không dây hiệu quả tầm trung.  Về phương diện an toàn   Tính chất cộng hưởng chọn lọc có nghĩa là hầu như toàn bộ điện năng cung cấp sẽ được truyền tới dụng cụ đích và không bị thất thoát nơi nào khác. Đây là vì mọi vật thể ngẫu nhiên, kể cả cơ thể sinh vật, gần như luôn luôn có một cấu trúc không cộng hưởng. Cho dù một vật có vẻ như cộng hưởng, thí dụ cái anten điện thoại di động, thì sự cộng hưởng của nó sẽ rất khác với tần số cộng hưởng nguồn chính xác (giống hệt như 99 cốc thủy tinh kia). Hơn nữa, ngay cả trong trường hợp cực kì không chắc có cùng tần số cộng hưởng, thì giá trị Q của nó vẫn quá thấp nên không có lượng điện năng đáng kể nào truyền tới nó.   <img src="https://thuvienvatly.com/home/images/stories3/hiepkhachquay/tintuc2/dienkoday3.jpg" alt="" class="fr-fic fr-dii fr-draggable " data-size="" style="" />   Martin Soljačić (trái), tác giả hiện nay (ở giữa) và John Joannopoulos ở Viện Công nghệ Massachusetts, cùng với minh chứng phòng thí nghiệm của công nghệ của họ - ở đây sử dụng một bóng đèn 60W. (Ảnh: Donna Coveney/MIT) Trong chế độ hoạt động bước sóng dài của chúng tôi (bước sóng 30 m ở 10 MHz so với các cuộn dây 60 cm), điện năng được truyền từ vật này sang vật kia bởi sự phân tán khởi bộ cộng hưởng nguồn và rồi “tập trung” trở lại vào dụng cụ cộng hưởng. Trái với ở những tần số cao, trong đó điện năng sẽ phát xạ như một chùm hội tụ với tiết diện nhỏ hơn nhiều, cơ chế trước hàm ý rằng, trong hệ của chúng tôi, mật độ năng lượng cục bộ và do đó các trường sẽ nhỏ hơn đáng kể tại mọi điểm, ngoại trừ có lẽ là những điểm ở gần các cuộn dây. Những trường nhỏ hơn rõ ràng ngụ ý sự thực hiện an toàn hơn.    Ngoài ra, phương pháp điện không dây của chúng tôi sử dụng từ trường, thay vì điện trường, để truyền năng lượng. Từ điểm nhìn từ trường, đa số các chất dẫn điện nghèo nàn, ví dụ nưh gỗ, gạch, plastic và con người, trông rất giống như không khí. Mặt khác, điện trường thật sự có mối nguy hại cho sức khỏe, vì chúng có thể tương tác với các cơ quan sinh học. Với phương pháp của chúng tôi, những điện trường này bị giới hạn với tụ điện bên trong bộ cộng hưởng của chúng tôi. Phương pháp khá giống với loại lò cảm ứng dùng trong nấu nướng, nhờ đó một cái lò có thể truyền hàng kilowatt điện năng lên một chão kim loại qua sự cảm ứng, nhưng thật an toàn nếu dùng tay không dẫn điện của chúng ta chạm vào. Cũng lưu ý là ngay cả những từ trường “lớn” trong hệ của chúng tôi thật ra có cường độ hết sức nhỏ, xấp xỉ 10-4 T ở gần các cuộn dây đối với 60W công suất truyền tải, cùng cỡ với từ trường bất biến theo thời gian của Trái đất. Đó là sự cộng hưởng Q cao biến đổi một cách kì diệu từ trường nhỏ xíu này thành điện năng có thể sử dụng được.    Sự linh động không dây  Các trường bước sóng dài tự nhiên bao trùm và tự phân bố lại xung quanh những vật ngẫu nhiên trong vùng phụ cận của chúng hoặc nhưng vật nằm giữa nguồn và máy thu di động. Do đó, trong khi một chùm bức xạ sẽ lập tức bị gián đoạn bởi những chướng ngại vật, thì phương pháp của chúng tôi vẫn tráng kiện và không yêu cầu đường nhìn không gián đoạn đến nguồn. Các nguồn có thể ẩn bên dưới sàn nhà, đằng sau bức tường hoặc bên trong đồ đạc, và dụng cụ thu không cần tìm bóng chắn trong khi rong ruổi tự do phía sau những vật ngẫu nhiên hoặc tích hợp bên trong những hệ thống khác.    Trường gần tạo ra bởi một cuộn dây nguồn cộng hưởng phân tán khá đều theo mọi hướng, trái với một chùm bức xạ trực tiếp. Như vậy, sự dịch chuyển thích hợp của một hoặc nhiều cuộn dây của dụng cụ có thể đảm bảo bao quát mọi hướng với tính phức tạp thấp và do đó giá thành thấp.  Phản ứng của hệ với những biến thiên động lực học của các thông số của nó do tương tác biến thiên với môi trường của nó trong khi chuyển động có thể nhanh trong vòng 0,1 ms, dựa trên băng thông tần số sẵn có của các cộng hưởng MHz sắc nét. Như thế là đủ cho những biến đổi đi cùng với chuyển động hàng ngày.  Ray Bradbury, nhà văn khoa học viễn tưởng có nhiều sáng tác, có lần từng nói “Mọi thứ anh mơ tới là viễn tưởng, và mọi thứ anh đạt tới là khoa học”. Nếu như sự cách tân của chúng tôi được thương mại hóa thành công, thì quan niệm về một thế giới hoàn toàn không dây có thể sớm nhảy ra khỏi giấc mơ trở thành một thành tựu phổ biến. Chúng ta sẽ quên việc nạp điện chiếc điện thoại di động, laptop và dụng cụ cá nhân kĩ thuật số khác của mình. Mê cung lưới điện đằng sau mỗi ngôi nhà hay thiết bị văn phòng sẽ không còn nữa. Xe hơi sẽ chạy bằng điện năng đi đường dài hơn và chi phí rẻ hơn. Các rô-bôt sẽ hoàn toàn quên bẵng đi việc quay trở lại trạm nạp điện của chúng. Các micro rô-bôt sẽ mãi mãi sống ẩn bên trong các chip điện tử. Các bộ cảm biến cấp nguồn bằng pin chôn dưới lòng đất sẽ không bao giờ chết. Và câu chuyện về vị thẩm phán sẽ sớm thuộc về lịch sử.  “Cha ơi, con tìm được một ngọn đèn trong tầng hầm, nhưng nó không hoạt động, cha xem này?”, lời của cậu con trai 10 tuổi, nói vọng lên trong khi leo lên gác. “Nó hoạt động chứ con trai”, vị thẩm phán trả lời, “nhưng nó phải nối với ổ cắm trên tường và ngôi nhà mới của chúng ta thì không có ổ cắm nào như thế”.   Aristedis Karalis (Viện Công nghệ Massachusetts, Mĩ)  Theo Thư Viện Vật Lý</blockquote>

Tên

Mã xác nhận