Как мы научились передавать энергию без проводов и что из этого получилось
Сегодня мы кладем смартфон на беспроводную зарядку, совершенно не задумываясь о том, как без единого провода к нему поступает энергия. Как была открыта эта технология, в чем ее преимущества, а в чем опасность для современных телефонов?
Как электричество летит по воздуху
Принцип работы беспроводной зарядки основан на явлении, которое почти 200 лет назад открыл Майкл Фарадей. Суть процесса в изменяющемся магнитном поле, которое порождает электрический ток в соседнем проводнике.
Представьте волну на поверхности озера. Бросите камешек — рябь разойдется по воде и достигнет противоположного берега. Так работает беспроводная зарядка: ток в передающей катушке создает колеблющееся магнитное поле, которое практически касается приемника (принимающей катушки), встроенного в ваш смартфон, внутри возникает ток, и начинается зарядка аккумулятора гаджета.
Классическая электромагнитная индукция имеет серьезное ограничение: она работает только на микроскопических расстояниях, буквально в несколько миллиметров. Чтобы передавать энергию дальше, инженеры применяют другой подход — магнитный резонанс. В этом случае передающая и приемная катушки настраиваются на единую частоту колебаний магнитного поля, словно два музыкальных инструмента, звучащих в унисон. Когда колебания совпадают, энергия передается значительно эффективнее, а расстояние увеличивается. Магнитный резонанс пока чаще встречается в экспериментальных проектах, он уже рассматривается как ключевая технология для будущего беспроводной зарядки.
От Фарадея к мобильным устройствам
История беспроводной передачи энергии — это захватывающий путь научного прогресса длиной почти два столетия.
1831 год. Майкл Фарадей провел серию опытов с катушками и магнитами, открыв закон электромагнитной индукции. На нем основаны современные способы беспроводной зарядки.
1890-е годы. Полвека спустя Никола Тесла решил развить эту идею. На Всемирной выставке в Чикаго в 1893 году он зажег люминесцентные лампы без проводов — с помощью особых резонаторов, в которых электромагнитными волнами возбуждался переменный ток. Сердцем его системы была знаменитая катушка Теслы — мощный трансформатор, создающий сильные электромагнитные поля. Эти поля индуцировали ток в приемниках (например, лампах) на расстоянии, если те были настроены на одинаковую резонансную частоту с передатчиком.
Позже Никола Тесла запатентовал первые устройства для передачи энергии без проводов и начал строить амбициозную башню Ворденклиф, которая должна была снабжать электричеством целые города. Проект казался фантастическим, но на его принципах впоследствии были созданы современные технологии, в частности беспроводная зарядка.
XX век. После Теслы наступил долгий период лабораторных поисков. В 1961 году инженер Уильям Браун предложил использовать микроволны для передачи энергии. Спустя несколько лет он продемонстрировал модель вертолета, получавшего питание по радиолучу — своего рода «электрический Wi-Fi» эпохи космической гонки.
2000-е годы. К XXI веку мечты изобретателей прошлого воплотились в компактных практичных устройствах. В 2007 году ученые Массачусетского технологического института передали энергию на два метра между двумя катушками диаметром 60 сантиметров — лампа мощностью 60 Вт зажглась без проводов. Intel быстро повторил опыты Теслы, а Bombardier создал систему Primove для беспроводного питания трамваев.
2009 год. Объединение производителей электроники создало консорциум Wireless Power Consortium и разработало стандарт Qi — первую унифицированную систему передачи энергии на расстоянии для мобильных устройств. 2012 год. В музее «Гранд Макет Россия» в Санкт-Петербурге миниатюрные автомобили ездили по макету, получая питание беспроводным способом через дорожное полотно. Позже ученые Университета ИТМО создали революционную систему, которая зажигала светодиодную лампу на расстоянии 30 сантиметров, используя керамические диэлектрики — без металлических катушек и проводов.
2017 год. Apple представила MagSafe — решение с магнитами для идеального выравнивания катушек, что значительно повысило эффективность беспроводной зарядки на мобильных устройствах.
2023 год. Появился Qi2 — следующее поколение стандарта, которое сократило потери энергии, передаваемой на расстоянии.
Магия под микроскопом
Устройства для беспроводной зарядки состоят из двух блоков с различными компонентами.
Передающая часть (зарядная станция) включает:
- передающую катушку из медного провода;
- электронный контроллер, управляющий частотой и силой тока;
- защиту от помех и коротких замыканий;
- понижающий трансформатор для преобразования сетевого напряжения.
Приемная часть (встроена в смартфон) состоит из:
- приемной катушки;
- выпрямителя и управляющей схемы;
- системы контроля температуры;
- защиты от перегрева и перегрузок.
Между этими составными частями возникает магнитное поле, которое передает энергию. Контроллеры постоянно обмениваются информацией: передатчик запрашивает данные у приемника, а тот отвечает сведениями о температуре, уровне заряда и состоянии аккумулятора.
Правила пользования
Чтобы беспроводная зарядка работала оптимально, следуйте нескольким простым правилам.
Правильное размещение: катушки передатчика и приемника должны находиться точно друг напротив друга. Если смещение составит даже пару сантиметров, эффективность падает и заряд идет медленнее. Поэтому магнитное позиционирование в Qi и MagSafe такое удачное решение: оно автоматически выравнивает катушки.
Совместимость с чехлами: современные зарядные устройства легко «пробивают» пластиковые и силиконовые чехлы толщиной до трех миллиметров. Но металлические вставки, магниты, держатели и особенно банковские карты в чехле мешают прохождению магнитного поля. В таких случаях беспроводная зарядка не запускается или часто прерывается.
Требования к адаптеру: для зарядной станции требуется подходящий адаптер питания и качественный кабель. Слабый адаптер или поврежденный кабель приведут к снижению мощности передачи и медленной зарядке.
Реверсивная зарядка: современные смартфоны умеют не только заряжаться, но и заряжать другие устройства. Это функция реверсивной зарядки: положите на спинку телефона беспроводные наушники или часы, и он поделится с ними энергией. Мощность невелика (около 4–5 Вт), но в дороге это спасает, когда нет под рукой розетки.
Плюсы и минусы беспроводной зарядки
Преимущества
Удобство — не нужно искать провод или подключать разъем.
Универсальность — одна станция подходит для разных устройств с Qi.
Меньше износ разъемов — нет постоянного механического контакта.
Беспроводную зарядку можно интегрировать в мебель, автомобили, кухонную технику.
Безопасность — контроллеры автоматически отключают питание при перегреве.
Недостатки
Медленнее, чем проводная — даже быстрые станции работают медленнее кабеля.
Нагрев устройства — особенно при плохом выравнивании или толстом чехле.
Нагрев устройства — особенно при плохом выравнивании или толстом чехле.
Ограниченное использование — телефон нельзя свободно двигать во время зарядки.
Цена — качественные станции дороже обычных проводных адаптеров.
Влияние на аккумулятор: мифы и реальность
При беспроводной зарядке часть энергии неизбежно теряется в виде тепла. Смартфон нагревается сильнее, чем при проводном подключении, особенно если катушки смещены или используется толстый чехол. Постоянный перегрев действительно сокращает срок службы аккумулятора. Современные зарядные устройства решают эту проблему. Контроллеры в стандартах Qi отслеживают температуру, силу тока и уровень заряда. Когда батарея достигает 80–90%, система автоматически снижает мощность, чтобы избежать излишнего нагрева. По сути, беспроводная зарядка безопаснее, чем кажется: контроллеры ограничивают ток, следят за температурой и выключают питание при перегреве.
В некоторых статьях в интернете можно найти опасения, что беспроводная зарядка вредна для здоровья из-за электромагнитных полей. Такая информация не подтверждена исследованиями. Всемирная организация здравоохранения классифицирует магнитные поля зарядных устройств как безопасные для человека: их интенсивность в десятки раз ниже уровня бытовых электроприборов и в тысячи раз меньше порога, способного повлиять на ткани организма.
Будущее беспроводной зарядки
Беспроводная зарядка из экзотической технологии превратилась в повседневный инструмент, а в ближайшие годы ученые обещают ряд инноваций в этой технологии.
Повышение мощности: точное выравнивание катушек и оптимизированная передача энергии позволят увеличить мощность устройств до 30 Вт и выше. Для смартфонов это означает быстрый заряд, а для ноутбуков — возможность работать без кабелей полностью.
Интеграция в окружающую среду: беспроводные модули уже интегрируют в мебель, автомобили и кухонную технику. Следующий шаг — распространение технологии на электромобили и медицину.
Электротранспорт: системы на основе магнитного резонанса тестируются для зарядки автомобилей на парковках и даже во время движения, когда энергия передается от катушек в дорожном покрытии к приемнику под днищем машины.
Медицина: беспроводная зарядка применяется для питания имплантируемых устройств, например кардиостимуляторов. Это избавляет пациентов от необходимости регулярных операций по замене батарей.
Интернет энергии (IoE): ученые работают над созданием помещений, насыщенных магнитным полем, чтобы заряжать несколько устройств одновременно без привязки к определенному месту. Это звучит как фантастика, но базовые прототипы уже существуют.
