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未来最重要的电磁辐射排放源:无线充电技术的发展历史

发布时间:15-11-10 14:32分类:技术文章 标签:电磁辐射
实际上无线供电的设想早在一百多年前*已经出现。早在1890年,尼古拉•特斯拉(Nikola
Tesla),这位现代交流电系统的奠基者*开始构想无线供电方法[8],*后提出了一个非常宏大的方案——把地球作为内导体、距离地面约60千米的电离层作为外导体,在地球与电离层之间建立起大约8Hz的低频共振,再利用环绕地球的表面电磁波来远距离传输电力。他想像电能能像广播一样传遍全球。1900年,特斯拉得到了150,000美金的研究经费(51%来自于J.P.摩根),并开始计划建造华登克里夫塔(Wardenclyffe
Tower,见图1.1),这个塔一度被当时的报纸称为“特斯拉的百万大建筑”,特斯拉希望用这个塔进行跨大西洋的无线电广播和无线电能传输实验。特斯拉*终建成了一座高187英尺的铁塔,铁塔顶部有一个直径为68英尺的半球型圆顶。铁塔尚未完工,特斯拉*澳门蒲京赌场手机版,迫不及待地开始了他的实验。而1908年通古斯大爆炸之后,特斯拉停止了无线电能传输实验。
甚至有人怀疑,1908年的通古斯大爆炸也与特斯拉的华登克里夫塔有关,由于纽约市民关于华登克里夫塔实验现象的描述和通古斯事件目击者观察到的征状相符,同时在通古斯大爆炸前后,特斯拉曾多次到图书馆查阅中西伯利亚地区的地图。后来因为摩根的撤资,特斯拉陷入了经济困难,华登克里夫塔也被拆除抵债。尽管特斯拉的研究*终没有结果,但是他当初的无线输电构想*是足够大胆。
到了20世纪20年代中期,日本的H.Yagi和S.Uda论述了无线输电概念的可行性;30年代美国的学者也开始研究不利用导线去点亮电灯的输电方案。随着大功率、高效率真空电子管微波源的研制成功,20世纪60至70年代之间Raytheon公司的William
C.
Brown做了大量的无线供电方面的研究工作[6][7],使得这一概念变成试验结果,奠定了现代无线供电的实验基础,他设计了结构简单、高效率的半波电偶极子半导体二极管整流天线,把它放在用来反射电磁波的导电平板之上,纯电阻作为负载,用低噪声、高效率的放大管和磁控管作为微波源,将频率为2.45GHz的微波能量转换为直流电。此后Brown又对实验方法不断改进,如从喇叭天线、反射面天线到相控阵天线、从一般二极管到势垒二极管,用铝条构造半波电偶极子和传输线等,射频能量转换为直流电的效率也不断提高,他所演示的直流-直流转换效率达到54%左右。
从90年代起,由于无线通信频率的扩展,为避免对2.45GHz频段通信潜在的干扰,美国宇航局倾向把5.8GHz的频率用于无线供电,这两个频率点的大气穿透性都很好,相应元器件的转换效率都很高。1998年5.8GHz印刷电偶极子整流天线阵转换效率达到了82%[9][10]。莫斯科大学以B.Л.Caввин、B.A.Baнкe为首的研究组也在无线供电与卫星太阳能电站方面进行了大量理论与实验研究,研制出了无线供电的关键器件—快回旋电子束波微波整流器,从1996年开始已将有关回旋波整流器的技术提供给日本京都大学的Mat-sumoto、Shinohara等人,计划在“自由号”国际空间站的日本模块上进行试验2000年以后,国际上已经掀起了对无线电能传输技术研究与应用的热潮,无线供电技术也越来越频繁的在各大通信技术展、电源新技术展上露面,各大公司也纷纷推出自己的研究成果。2007年6月,麻省理工大学的物理学助理教授Marin
Solijacic和他的研究团队公开做了一个演示(见图1.2),他们给一个直径60厘米的线圈通电,点亮了大约2m之外连接在另一个线圈上的60瓦灯泡。演示装置包括直径为3英尺的匹配铜线圈,以及与电源相连的工作频率在MHz范围的传输线圈,接受线圈在非辐射性磁场内部发生谐振,并以相同的频率振荡,然后有效地利用磁感应来点亮灯泡[3][4]。此外他们还发现,即使两个谐振线圈之间存在障碍物时,也能让灯泡继续发光。这项被命名为“WiTricity”的技术*是运用了共振的原理,通过一个磁共振系统进行电能传输。据Marin小组称,至2008年他们已经将传输效率提高到了90%。这意味着,该技术已经具备了实用化的条件,他本人也因为这一发明获得了麦克阿瑟基金会2008年的天才奖。不过,该技术仍旧面临着一些问题,使用的铜线圈非常笨重,足有0.6米高,如果要想实现整座房间内的电器都能自动充电,铜丝线圈的直径预计将达2.1米。

引子

2009年6月,央视10套科教频道《人物》栏目曾推出两集纪录片——《科学超人尼古拉•特斯拉》。全片围绕俄国著名的通古斯大爆炸展开,认为特斯拉“要对这场通古斯大灾难负全部责任。”虽然片中充斥着“专家”的访谈,但是大部分的内容并没有科学依据,甚至可以说是伪科学。原本大家就对特斯拉不甚了解,现在更是蒙上了一层神秘的面纱。通古斯大爆炸怎么会和特斯拉扯上关系呢?让我们慢慢道来。

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尼古拉•特斯拉

名词解释:通古斯大爆炸

通古斯大爆炸是1908年6月30日上午7时14分发生在俄罗斯通古斯河附近的巨大爆炸事件[1]。爆炸的TNT当量约为15到20百万吨[2],威力大约是广岛核弹的1000倍[3]。关于通古斯爆炸原因的假说很多,包括天体空中爆炸、彗星撞击、天然氢弹、反物质爆炸、外星飞船坠毁等等。“通古斯大爆炸由特斯拉的沃登克里弗塔无线电能传输实验造成”,这一传言始于奥利弗•尼彻尔森1990年在《命运》杂志上发表的文章,后来他又对其进行了修改,认为特斯拉有动机和能力制造通古斯大爆炸[4]。

“纪录片”其实是“臆想片”

央视播出的纪录片《科学超人尼古拉•特斯拉》,虽说是纪录片,但其中许多内容的真实性很值得怀疑,甚至可以说是荒诞不经。为了说明特斯拉与通古斯大爆炸的关系,片中做了大量的联想和猜测,却没有能够提供可靠的事实和科学依据。片中出现了多位“专家”,为出现在特斯拉身边的神奇事物背书:特斯拉有预言能力,预言了泰坦尼克号的沉没和两次世界大战;特斯拉有超能力,能够“没有障碍地进入空间和时间旅行”,还创造了“超长意识轴”、“内视”等名词,声称“脑脉冲可以让激光束发生偏转,人的意识可以改变数千里外水的PH值。”但除此之外,我们找不到其他支持这些说法的可靠的事实证据和合理的科学解释。

仔细观察的观众会发现,央视纪录片由两种语言组成(俄语和英语),而且拍摄风格不尽相同。事实上,该记录片是由俄国自由作家兼编导维塔利•普拉夫迪夫切夫拍摄的“纪录片”《特斯拉:世界之王》和PBS纪录片《特斯拉:闪电的主人》拼凑而成的,其中的主要线索来自俄国编导的“纪录片”。怎么来介绍这位编导呢?只能说他的想象力天马行空,对特异功能、外星生命、历史之谜、阴谋论等话题特别感兴趣,这从他拍摄的其他作品就可以感受出来:《通古斯入侵一百年》(特斯拉拯救地球,囧)、《第三帝国的飞碟》、《月球秘密区》等[5]。这样的影片作为科普材料在教育频道播出,没有起到传播科学知识的作用,反而误导观众接受了许多不实的错误信息。

为什么会出现“是特斯拉的实验造成了通古斯大爆炸”这样的说法呢?还得从特斯拉的全球无线电能传输构想和他为此建造的沃登克里弗塔说起。