La mayoría de los cepillos de dientes eléctricos se recargan mediante acoplamiento inductivo. A menos que sea particularmente organizado y bueno con la atadura, probablemente tenga algunos enredos de cables de alimentación polvorientos en su hogar. Es posible que incluso haya tenido que seguir un cable en particular a través del enredo aparentemente imposible hasta el tomacorriente, con la esperanza de que el enchufe que saque sea el correcto. Esta es una de las caídas de la electricidad. Si bien puede facilitar la vida de las personas, puede agregar mucho desorden en el proceso.
Por estas razones, los científicos han intentado desarrollar métodos de transmisión inalámbrica de energía que podría reducir el desorden o conducir a fuentes limpias de electricidad. Si bien la idea puede sonar futurista, no es particularmente nueva. Nicola Tesla propuso teorías de transmisión de energía inalámbrica a fines del siglo XIX y principios del XX. Una de sus exhibiciones más espectaculares involucró el encendido remoto de luces en el suelo en su estación experimental de Colorado Springs.
El trabajo de Tesla fue impresionante, pero no condujo de inmediato a métodos prácticos y generalizados para la transmisión inalámbrica de energía. Desde entonces, los investigadores han desarrollado varias técnicas para transportar electricidad a largas distancias sin cables. Algunos existen solo como teorías o prototipos, pero otros ya están en uso. Si tiene un cepillo de dientes eléctrico, por ejemplo, probablemente aproveche un método todos los días.
La transmisión inalámbrica de energía es común en gran parte del mundo. Las ondas de radio son energía, y las personas las usan para enviar y recibir señales de teléfonos celulares, TV, radio y WiFi todos los días. Las ondas de radio se propagan en todas direcciones hasta llegar a las antenas que están sintonizados en la frecuencia correcta. Un método similar para transferir energía eléctrica sería ineficiente y peligroso.
Por ejemplo, la exposición diaria de un cepillo de dientes al agua hace que un cargador enchufable tradicional sea potencialmente peligroso. Las conexiones eléctricas ordinarias también podrían permitir que el agua se filtre en el cepillo de dientes y dañe sus componentes. Debido a esto, la mayoría de los cepillos de dientes se recargan a través del acoplamiento inductivo. . Consulte la página siguiente para obtener más información sobre cómo funciona el acoplamiento inductivo.
Contenido- Acoplamiento inductivo
- Resonancia y potencia inalámbrica
- Energía inalámbrica de larga distancia
Acoplamiento inductivo
La base y el mango de un cepillo de dientes eléctrico contienen bobinas que permiten que la batería se recargue. El acoplamiento inductivo utiliza campos magnéticos que son una parte natural del movimiento de la corriente a través del cable. Cada vez que la corriente eléctrica se mueve a través de un cable, crea un campo magnético circular. alrededor del alambre. Doblar el alambre en una bobina amplifica el campo magnético. Cuantos más bucles haga la bobina, mayor será el campo.
Si coloca una segunda bobina de alambre en el campo magnético que ha creado, el campo puede inducir una corriente en el alambre. Básicamente, así es como un transformador funciona, y así es como se recarga un cepillo de dientes eléctrico. Se necesitan tres pasos básicos:
- La corriente del tomacorriente de pared fluye a través de una bobina dentro del cargador, creando un campo magnético. En un transformador, esta bobina se llama devanado primario .
- Cuando coloca su cepillo de dientes en el cargador, el campo magnético induce una corriente en otra bobina, o devanado secundario , que se conecta a la batería.
- Esta corriente recarga la batería.
Puede usar el mismo principio para recargar varios dispositivos a la vez. Por ejemplo, el tapete de recarga Splashpower y el Powerdesk de Edison Electric usan bobinas para crear un campo magnético. Los dispositivos electrónicos utilizan los correspondientes receptores integrados o enchufables para recargarse mientras descansan sobre la alfombra. Estos receptores contienen bobinas compatibles y los circuitos necesarios para suministrar electricidad a las baterías de los dispositivos.
Un tapete Splashpower usa inducción para recargar múltiples dispositivos simultáneamente. Una teoría más nueva utiliza una configuración similar para transmitir electricidad a distancias más largas. Veremos cómo funciona en la siguiente sección.
Resonancia y potencia inalámbrica
El tamaño, la forma y la composición del material de una trompeta determinan su frecuencia de resonancia. Los dispositivos domésticos producen campos magnéticos relativamente pequeños. Por esta razón, los cargadores mantienen los dispositivos a la distancia necesaria para inducir una corriente, lo que solo puede ocurrir si las bobinas están muy juntas. Un campo más grande y fuerte podría inducir corriente desde más lejos, pero el proceso sería extremadamente ineficiente. Dado que un campo magnético se propaga en todas las direcciones, hacer uno más grande desperdiciaría mucha energía.
Sin embargo, en noviembre de 2006, los investigadores del MIT informaron que habían descubierto una forma eficiente de transferir energía entre bobinas separadas por unos pocos metros. El equipo, dirigido por Marin Soljacic, teorizó que podrían extender la distancia entre las bobinas agregando resonancia a la ecuación.
Una buena manera de entender la resonancia es pensar en ella en términos de sonido. La estructura física de un objeto, como el tamaño y la forma de una trompeta, determina la frecuencia a la que vibra naturalmente. Esta es su frecuencia de resonancia . Es fácil lograr que los objetos vibren a su frecuencia resonante y difícil lograr que vibren a otras frecuencias. Esta es la razón por la que tocar una trompeta puede hacer que una trompeta cercana comience a vibrar. Ambas trompetas tienen la misma frecuencia de resonancia.
La investigación en el MIT indica que la inducción puede ocurrir de manera un poco diferente si los campos electromagnéticos alrededor de las bobinas resuenan a la misma frecuencia. La teoría utiliza una bobina curva de alambre como inductor. Una capacitancia plato , que puede contener una carga, se une a cada extremo de la bobina. A medida que la electricidad viaja a través de esta bobina, la bobina comienza a resonar. Su frecuencia de resonancia es producto de la inductancia de la bobina y la capacitancia de las placas.
El proyecto de energía inalámbrica del MIT utiliza una bobina curva y placas capacitivas. Al igual que con un cepillo de dientes eléctrico, este sistema se basa en dos bobinas. La electricidad, viajando a lo largo de una onda electromagnética, puede hacer un túnel de una bobina a la otra siempre que ambas tengan la misma frecuencia de resonancia. El efecto es similar a la forma en que una trompeta vibratoria puede hacer que otra vibre.
Mientras ambas bobinas estén fuera del alcance de la otra, no pasará nada, ya que los campos alrededor de las bobinas no son lo suficientemente fuertes como para afectar mucho a su alrededor. De manera similar, si las dos bobinas resuenan a diferentes frecuencias, no sucederá nada. Pero si dos bobinas resonantes con la misma frecuencia se acercan a unos pocos metros, las corrientes de energía se mueven desde la bobina transmisora a la bobina receptora. Según la teoría, una bobina puede incluso enviar electricidad a varias bobinas receptoras, siempre que todas resuenen a la misma frecuencia. Los investigadores han llamado a esta transferencia de energía no radiativa ya que se trata de campos estacionarios alrededor de las bobinas en lugar de campos que se propagan en todas las direcciones.
Según la teoría, una bobina puede recargar cualquier dispositivo que esté dentro del alcance, siempre que la las bobinas tienen la misma frecuencia de resonancia. El trabajo preliminar del equipo del MIT sugiere que este tipo de configuración podría alimentar o recargar todos los dispositivos en una habitación. Serían necesarias algunas modificaciones para enviar energía a largas distancias, como la longitud de un edificio o una ciudad. El equipo está progresando:en junio de 2007, el equipo del MIT publicó un artículo que detalla una demostración exitosa de su prototipo. Usaron bobinas resonantes para alimentar una bombilla a una distancia de unos siete pies (dos metros) [Fuente:PhysOrg].
Otras teorías de energía inalámbrica involucran enormes distancias, como del espacio a la Tierra. Los veremos a continuación.
Otro poder para aviones no tripuladosLa NASA también ha desarrollado fuentes de energía de larga distancia para aviones no tripulados. Los científicos del Marshal Space Flight Center utilizaron un láser infrarrojo invisible para activar las células fotovoltaicas en un pequeño avión. Las células fotovoltaicas, esencialmente células solares, convirtieron la luz en electricidad. Un sistema similar también podría alimentar dispositivos que suben por la cuerda de un ascensor espacial. Sin embargo, sistemas como este requieren una línea de visión directa entre el láser y las células solares.
Energía inalámbrica de larga distancia
El avión no tripulado de la Plataforma Estacionaria de Retransmisión a Gran Altitud (SHARP) podría funcionar con la energía emitida desde la Tierra. Ya sea que incorpore resonancia o no, la inducción generalmente envía energía a distancias relativamente cortas. Pero algunos planes para la energía inalámbrica implican mover la electricidad a lo largo de kilómetros. Algunas propuestas incluso implican enviar energía a la Tierra desde el espacio.
En la década de 1980, el Centro de Investigación de Comunicaciones de Canadá creó un pequeño avión que podía funcionar con energía emitida desde la Tierra. El avión no tripulado, llamado Plataforma Estacionaria de Retransmisión a Gran Altitud (SHARP), fue diseñado como un retransmisor de comunicaciones. En lugar de volar de un punto a otro, el SHARP podría volar en círculos de dos kilómetros de diámetro a una altitud de aproximadamente 13 millas (21 kilómetros). Lo que es más importante, el avión podría volar durante meses seguidos.
El secreto del largo tiempo de vuelo del SHARP era un gran transmisor de microondas terrestre. La trayectoria de vuelo circular del SHARP lo mantuvo dentro del alcance de este transmisor. Una gran antena rectificadora en forma de disco , o recta , justo detrás de las alas del avión, cambió la energía de microondas del transmisor en electricidad de corriente continua (CC). Debido a la interacción de las microondas con la rectena, el SHARP tenía un suministro de energía constante siempre que estuviera dentro del alcance de una matriz de microondas en funcionamiento.
Las antenas rectificadoras son fundamentales para muchas teorías de transmisión de energía inalámbrica. Por lo general, se componen de un conjunto de antenas dipolo, que tienen polos positivo y negativo. Estas antenas se conectan a diodos semiconductores. Esto es lo que sucede:
- Las microondas, que forman parte del espectro electromagnético, llegan a las antenas dipolo.
- Las antenas recogen la energía de microondas y la transmiten a los diodos.
- Los diodos actúan como interruptores abiertos o cerrados, así como torniquetes que permiten que los electrones fluyan en una sola dirección. Dirigen los electrones al circuito de la rectena.
- El circuito dirige los electrones a las partes y sistemas que los necesitan.
Otras ideas de transmisión de energía de mayor alcance también se basan en las rectenas. David Criswell de la Universidad de Houston ha propuesto el uso de microondas para transmitir electricidad a la Tierra desde las estaciones de energía solar en la Luna. Decenas de miles de receptores en la Tierra captarían esta energía y las rectenas la convertirían en electricidad.
Las estaciones en la Tierra pueden recibir energía de la luna a través de microondas. Las microondas atraviesan la atmósfera con facilidad y las rectenas rectifican las microondas en electricidad de manera muy eficiente. Además, las rectenas basadas en la Tierra podrían construirse con un marco similar a una malla, lo que permitiría que el sol y la lluvia lleguen al suelo y minimicen el impacto ambiental. Tal configuración podría proporcionar una fuente limpia de energía. Sin embargo, tiene algunos inconvenientes:
Si bien los científicos han construido prototipos funcionales de aeronaves que funcionan con energía inalámbrica, las aplicaciones a mayor escala, como las centrales eléctricas en la luna, aún son teóricas. Sin embargo, a medida que la población de la Tierra continúa creciendo, la demanda de electricidad podría superar la capacidad de producirla y moverla. Con el tiempo, la energía inalámbrica puede convertirse en una necesidad y no solo en una idea interesante.
Siga leyendo para obtener mucha más información sobre electricidad, energía inalámbrica y temas relacionados.
GraciasGracias a Josh Senecal por su ayuda con este artículo.