Передача электроэнергии по одному проводу своими руками
Обновлено: 08.07.2024
Здесь мы подойдём к проблеме с наиболее общих позиций, задействуя для этого закон сохранения электромагнитной энергии, охватывающую весь их баланс в проводнике. Исходя из этого выведем два вида энергии, распостраняющиеся вдоль него, и по нему. По итогу — предложим методику расчёта РОЭС и приведём реальные примеры расчёта действующих установок. Для удобства чтения, и правильного отображения формул, мы разбили этот материал на несколько страничек.
Рассмотрим конкретный вариант схемы, предлагаемый в рамках исследовательской работы одной организации.
- 1 – блок опытного образца резонансного передающего преобразователя напряжения;
- 2 – блок опытного образца обратного преобразователя напряжения;
- 3 – резонансная однопроводная линия передачи электроэнергии (ЛЭП) длиной до 3000 м (кабель РК 75-7-12 или аналог);
- 4 – инвертор, преобразующий выходное постоянное напряжение приемного модуля (DC=650 В) в переменное промышленное трёхфазное (AC=380 В, 50 Гц).
Примечание. К классу резонансных линий электропередач можно отнести и беспроводную систему передачи энергии, где в качестве верхнего проводника используется ёмкостная связь между уединёнными ёмкостями Ctx и Crx (рис. 2b). Такая связь осуществляется через атмосферу земли. Недостатком такого вида передачи энергии является её всенаправленность. Более точечными, в плане вектора распространения энергии, являются однопроводные ЛЭП, которые мы далее и будем рассматривать.
Принцип однопроводной передачи электроэнергии, на самомо деле, очень простой. Достаточно вспомнить опыт из раздела электростатики школьного курса физики. На столе преподавателя стояли два изолированных металлических шара, которые можно ещё назвать уединёнными ёмкостями, электрофорная машина и электроскоп. Из него мы помним, как преподаватель заряжал такой шар C1 от электрофорной машины q (рис. 3a). Этот шар приобретал некий электрический заряд, что и показывал рядом стоящий электроскоп. Потом он отключал электрофорную машину и соединял проводом-перемычкой заряженный шар C1 с незаряженным C2 (рис. 3b). При этом, часть заряда перетекала во второй шар.
Исходя из этого, теперь совсем просто получить принцип однопроводной ЛЭП (рис. 3c). Для этого потребуется генератор электростатического заряда переменного знака qV, собственно сама ЛЭП (Line) и устройство, которое будет разделять положительные и отрицательные заряды на конце этой линии. Такое устройство может состоять из двух диодов, каждый из которых пропускает только свой знак заряда (VD1, VD2). После него может стоять классическая активная нагрузка R, которая одновременно является и уединённой ёмкостью C2 (тем самым шаром). Теперь нам достаточно перезаряжать эту ёмкость при помощи переменного электростатического заряда от qV, чтобы получить ток в однопроводной ЛЭП.
В этом разделе был показан только сам принцип передачи энергии. Современные РОЭС имеют более сложную схему и структуру, позволяющую работать как с открытыми, так и с закрытыми линиями электросвязи, передавать довольно большие мощности на значительные расстояния. Далее, с помощью вектора Умова, мы оценим какая мощность может быть передана таким способом.
Теоретическое обоснование действующих установок РОЭС требует особого подхода, т.к. переносимая мощность иногда на порядки превосходит максимально возможную для используемого проводника ЛЭП. Кроме того, в некоторых РОЭС не используется заземление в качестве второго проводника. Относительно небольшая частота в ЛЭП не позволяет говорить и о переносе мощности с помощью поперечной электромагнитной волны. На основании экспериментальных данных и работ 2, мы можем предположить, что в этих случаях энергия переносится при помощи тока смещения и продольной волны, что далее и обоснуем.
Из классической электродинамики известно, что в проводнике электрическое поле \(\vec E\) и магнитное поле \(\vec H\) располагаются следующим образом (рис. 4a). Результирующим ветором, который отвечает за перенос энергии, в этом случае является вектор Пойнтинга \(\vec S\), направленный перпендикулярно проводнику и первым двум векторам. Как мы уже ранее говорили, это вариант не подходит для объяснения пененоса энергии продольной волной. Так как вектор Пойнтинга является частным случаем вектора Умова, то мы вполне можем попробовать и другую комбинацию векторов. Развернём вектор электрического поля перпендикулярно проводнику, тогда вектор переноса энергии \(\vec S\) также развернётся, но будет теперь направлен вдоль проводника (рис. 4b). В таком виде вектор переноса энергии полностью удовлетворяет опытным данным и нашей задаче, с ним далее мы и будем работать.
Рис.4. Направления полей в проводнике: a - вектор S перпендикулярен проводнику, b - вектор S направлен вдоль проводника
К слову, действие вектора электрического поля, которое направлено перпендикулярно проводнику, мы можем заметить возле ЛЭП высокого напряжения, когда начинают электризоваться волосы, и это ощущается нами в виде лёгкого ветерка. Другое проявление — это ионизация молекул воздуха возле таких ЛЭП, которое проявляется в виде потрескивания и запаха озона. Но давайте вернёмся к теории.
Дж. К. Максвелл для баланса своих уравнений ввёл ток смещения, как дополнение к току проводимости. Намного позже этот ток, косвенными методами, всё же удалось обнаружить 4, но до сих пор нет надёжных приборов, его измеряющих. В классических случаях, например, в электросетях низкого (до 1 кВ) и среднего напряжения (3 – 35 кВ), ток смещения относительно мал в сравнении с током проводимости, и поэтому задача по его измерению до сих пор не ставилась. В уравнениях Максвелла [5] фигурирует общий ток, как сумма тока смещения и тока проводимости. Через плотности это выражается так: \[j_ = j_D + j \qquad (1.1)\] где: \(j_D\) — плотность тока смещения, \(j\) — плотность тока проводимости.
К этой формуле мы вернёмся позже, когда будут найдены её составляющие части по отдельности. Сейчас необходимо найти поток энергии через ЛЭП, учесть мощность в замкнутой цепи, а уже отсюда найти полную передаваемую мощность. Для решения этой задачи используем закон сохранения электромагнитной энергии в элементарном объёме [8]: \[ <\partial w \over \partial t>+ \mathrm \vec S = 0 \qquad (1.2)\] Здесь представлены: \(w\) — объёмная плотность энергии электромагнитного поля, \(\vec S\) — плотность потока энергии (вектор Умова).
Эта идея была высказана Умовым в 1873 году, и в отличии от решения Пойнтинга [9], открывает возможность математического описания продольного переноса энергии вдоль линии электропередачи. Это нам и требуется. Но сначала разложим дивергенцию потока по декартовым координатам: \[ \mathrm
Мы будем рассматривать ЛЭП в виде коаксиального конденсатора, электромагнитная волна в котором распространяется только вдоль оси z (рис. 5). В примерах мы увидим, что полученное решение будет распространяться не только на ЛЭП в виде коаксиального кабеля, но и на линии с открытым проводником.
Подставляя (1.3) в (1.2), взяв производные, и учитывая одно пространственное направление, это уравнение можно теперь переписать в скалярном виде: \[ <\partial S \over \partial z>+ \varepsilon \varepsilon_0 E <\partial E \over \partial t>+ \mu \mu_0 H <\partial H \over \partial t>= 0 \qquad (1.4)\] Поскольку частота работы РОЭС относительно низкая (много меньше длины волны), то далее будем считать, что ЛЭП имеет сосредоточенные параметры и длину — \(l\). Тогда плотность потока энергии S будет одинакова по всей длине, ровно как и другие параметры в этом уравнении. Перепишем его так: \[S + S_E + S_H = 0 \qquad (1.4)\] где \[S_E = \varepsilon \varepsilon_0 E <\partial E \over \partial t>l, \quad S_H = \mu \mu_0 H <\partial H \over \partial t>l \qquad (1.5)\] Здесь были введены следующие обозначения: \(S_E\) — электрическая составляющая потока энергии, \(S_H\) — магнитная составляющая потока энергии.
Из удельного потока энергии мы можем найти мощность путём его интегрирования по площади поперечного сечения проводника: \[P_S + P_E + P_H = 0 \qquad (1.6)\] где \[P_E = \int \limits_ S_E\, ds, \quad P_H = \int \limits_ S_H\, ds, \quad s = \pi r^2 \qquad (1.7)\] Здесь: \(P_S\) — общая мощность потока энергии передаваемая через ЛЭП электромагнитной волной, \(P_E\) — электрическая составляющая мощности, \(P_H\) — магнитная составляющая мощности, \(s\) — площадь поперечного сечения коаксиала.
© Перепечатка материалов сайта возможна с условием установки ссылки на него и соблюдением авторских прав
Передача электроэнергии по одному проводу
"Передача электроэнергии по одному проводу или “сверхпроводник” инженера Авраменко.
В 1892 году в Лондоне, а через год в Филадельфии, известный изобретатель, серб по национальности, Никола Тесла демонстрировал передачу электроэнергии по одному проводу. Как он это делал — остается загадкой. Часть его записей до сих пор не расшифрована, другая часть сгорела. Сенсационность опытов Тесла очевидна любому электрику: ведь, чтобы ток шел по проводам, они должны составлять замкнутый контур. А тут вдруг — один незаземленный провод! Но, я думаю, современным электрикам предстоит удивиться еще больше, когда они узнают, что в авторитетном для своей отрасли Всесоюзном электротехническом институте работает человек, который тоже нашел способ передавать электроэнергию по одному незамкнутому проводу. Инженер Станислав Авраменко делает это уже 15 лет.
Как же осуществляется феноменальное явление, не укладывающееся в рамки общепризнанных представлений? На рис. 1 показана одна из схем Авраменко. Она состоит из трансформатора Т, линии электропередачи (провода) Л, двух встречно включенных диодов Д, конденсатора С и разрядника Р. Трансформатор имеет ряд особенностей, которые пока (дабы сохранить приоритет) раскрывать не будем. Скажем только, что он схож с резонансным трансформатором Тесла, в котором первичная обмотка питается напряжением с частотой, равной резонансной частоте вторичной обмотки.
Подключим входные (на рис.— нижние) выводы трансформатора к источнику переменного напряжения. Поскольку два других его вывода между собой не замкнуты (точка 1 просто висит в воздухе), тока наблюдаться в них вроде бы не должно. Однако в разряднике возникает искра — происходит пробой воздуха электрическими за рядами! Он может быть непрерывным или прерывным, повторяться с интервалом, зависящим от емкости конденсатора, величины и частоты приложенного к трансформатору напряжения. Получается, что на противоположных сторонах разрядника периодически накапливается определенное число зарядов. Но поступать туда они могут, по всей видимости, лишь от точки 3 через диоды, выпрямляющие переменный ток, существующий в линии Л. Таким образом в вилке Авраменко (часть схемы правее точки 3) циркулирует постоянный по направлению и пульсирующий по величине ток. Подключенный к разряднику вольтметр V, при частоте около 3 кГц и напряжении 60 В на входе трансформатора, показывает перед пробоем 10—20 кВ. Установленный вместо него амперметр регистрирует ток в десятки микроампер.
На этом “чудеса” с вилкой Авраменко не заканчиваются. При сопротивлениях R1=2—5 МОм и R2=2—100 МОм (рис. 2) наблюдаются странности при определении выделяющейся на последнем мощности. Измерив (по общепринятой практике) ток магнитоэлектрическим амперметром А и напряжение электростатическим вольтметром V, перемножив полученные величины, получаем мощность много меньше той, которая определяется точным калориметрическим способом по тепловыделению на сопротивлении R2. Между тем, по всем существующим правилам, они должны совпадать. Объяснения тут пока нет.
Усложнив схему, экспериментаторы передавали по линии Л мощность, равную 1,3 кВт. Это подтвердили три ярко горевшие лампочки, суммарная мощность которых составляла как раз названную величину. Опыт проводился 5 июля 1990 года в одной из лабораторий Московского энергетического института. Источником питания служил машинный генератор с частотой 8 кГц. Длина провода Л равнялась 2,75 м. Интересно, что он был не медным или алюминиевым, которые обычно применяют для передачи электроэнергии (их сопротивление относительно мало), а вольфрамовым! Да к тому же диаметром — 15 мкм! То есть электрическое сопротивление такого провода намного превышало сопротивление обычных проводов той же длины. По идее, здесь должны происходить большие потери электроэнергии, а провод — раскалиться и излучать тепло. Но этого не было, пока трудно объяснить почему,— вольфрам оставался холодным. Высокие должностные лица с учеными степенями, убедившиеся в реальности опыта, были просто ошеломлены (однако своих фамилий просили на всякий случай не называть).
А наиболее представительная делегация знакомилась с опытами Авраменко еще летом 1989 года. В нее входили заместитель министра Минэнерго, начальники главков и другие ответственные научно-административные работники. Поскольку вразумительного теоретического объяснения эффектам Авраменко никто дать не мог, делегация ограничилась тем, что пожелала ему дальнейших успехов и чинно удалилась. Кстати, о заинтересованности государственных органов в технических новшествах: Авраменко подал первую заявку на изобретение в январе 1978 года, но до сих пор не получил авторского свидетельства.
А ведь при внимательном взгляде на опыты Авраменко становится ясно, что это не просто экспериментаторские игрушки. Вспомните, какая мощность передавалась по вольфрамовому проводнику, и он не нагревался! То есть линия как бы не имела сопротивления. Так что же она собой представляла — “сверхпроводник” при комнатной температуре? Тут уж дальше и комментировать нечего — насчет практического значения.
Есть, конечно, и теоретические предположения, объясняющие результаты опытов. Не вдаваясь в подробности, скажем, что эффект может быть связан с токами смещения и резонансными явлениями — совпадением частоты напряжения источника питания и собственных частот колебания атомных решеток проводника. Между прочим, о мгновенных токах в единичной линии писал еще Фарадей, в 30-х годах прошлого века, а в соответствии с электродинамикой, обоснованной Максвеллом, ток поляризации не приводит к выделению на проводнике джоулева тепла — то есть проводник не оказывает ему сопротивления. Время придет — строгая теория будет создана, а пока инженер Авраменко успешно опробовал передачу электроэнергии по одному проводу на 160 м.
Николай ЗАЕВ
Техника - молодежи №1, 1991"
Миниатюры
Передача электроэнергии по одному проводу.
Для профессионалов-электриков, возможность передавать электрическую энергию по одному проводу должна быть известна. Это не есть чудо. Однако не профессионалам такая возможность может показаться достаточно фантастической, или, по крайней мере, необычной. В данной статье я хотел бы поделиться собственным опытом в этой сфере. Настоятельно рекомендую, перед прочтением данной статьи, познакомиться с оригинальной информацией из работ Н.Тесла. Об однопроводной передаче энергии (далее ОПЭ) известно с 19го века. Для осуществления ОПЭ нужны следующие условия: ток должен быть переменным и относительно высокочастотным, а так же достаточно высокого напряжения. Для примера: частота тока 10-15кГц, напряжение 10-15кВ. Хотя опыты проще проводить с меньшим напряжением, я использовал 100-200В. Для повышения эффективности процесса необходимо использовать резонанс.
Моя схема ОПЭ следующая: 1 – ноутбук; 2 – УНЧ, 3 – повышающий трансформатор (ноутбук, УНЧ и повышающий трансформатор играют роль генератора тока нужного мне характера, т.е. высокочастотного и высоковольтного); 4 – нагрузка в виде понижающего трансформатора и диодного моста на низковольтной обмотке, с подключенным к ней двигателем постоянного тока; 5 – изолированная проводящая пластина.
А можно и намного проще:
Или так:
На роликах представлена очень примитивная схема, с помощью которой демонстрируется передача электроэнергии по одному проводу.
На самом деле, передавать элетроэнергию посредством одного провода на данный момент не имеет практического смысла, на мой взгляд. Эта информация размещена здесь лишь для того, что бы показать возможность передачи энергии и сигналов через Землю.
Вы используете Internet Explorer устаревшей и не поддерживаемой более версии. Чтобы не было проблем с отображением сайтов или форумов обновите его до версии 7.0 или более новой. Ещё лучше - поставьте браузер Opera или Mozilla Firefox.
Обсудить и задать вопросы можно в этой теме.
Fakir
BlueSkyDreamer
Буквально детство вспомнилось - соотв. статьи в ЮТ, ТМ и даже в "Науке и жизни" (там вроде толковая была, но сейчас не нашёл навскидку). Ностальжи
Передача электроэнергии по одному проводу. - Статьи - Интересные статьи - Каталог файлов - Портал радиолюбителей DIOD Схемы, Устройства, Книги
Однопроводная ЛЭП
13 - сила
5.08.90 г. в одной из лабораторий МЭИ от машинного генератора (8 кГц, 100 кВт) по проводу длиной 2,75 м, согласно схеме Авраменко, передали мощность 1,3 кВт по одному вольфрамовому проводу диаметром 20 микрон. Причем передавалась активная мощность — нагрузкой служили лампы накаливания. Интересно, что в этом первом опыте КПД передачи составил 0,72.
Известно, что газоразрядные лампы светятся в сильном электрическом поле. В поле от "вилки Авраменко" они загораются без пусковых устройств и светятся максимально ярко. Практическую значимость этого трудно переоценить, ибо цена пускового устройства современной лампы дневного света (люминесцентной) составляет не менее 80 % от всей ее стоимости. Но самое удивительное "сгоревшие" лампы светятся, как новые.
Читайте также: