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    Magia elettromagnetica:trasferimento di potenza wireless potenziato dal segnale all'indietro

    Le linee tratteggiate dei campi magnetici attorno a due bobine di induzione illustrano il principio dell'induzione elettromagnetica. Credito:Alex Krasnok et al./ Lettere di revisione fisica

    Un team di ricerca internazionale che comprende scienziati dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca e dell'Università ITMO ha proposto un modo per aumentare l'efficienza del trasferimento di potenza wireless su lunghe distanze e lo ha testato con simulazioni ed esperimenti numerici. Per realizzare questo, trasmettevano potenza tra due antenne, uno dei quali era eccitato con un segnale di retropropagazione di ampiezza e fase specifiche. Lo studio è dettagliato in un articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica e brevemente riportato sulla rivista dell'American Physical Society Fisica .

    "La nozione di assorbitore coerente è stata introdotta in un articolo pubblicato nel 2010. Gli autori hanno dimostrato che l'interferenza delle onde può essere utilizzata per controllare l'assorbimento della luce e delle radiazioni elettromagnetiche in generale, ", afferma il dottorando del MIPT Denis Baranov.

    "Abbiamo deciso di scoprire se altri processi, come la propagazione delle onde elettromagnetiche, possono essere controllati allo stesso modo. Abbiamo scelto di lavorare con un'antenna per il trasferimento di potenza wireless, perché questo sistema trarrebbe enorme vantaggio dalla tecnologia, " dice. "Beh, siamo rimasti piuttosto sorpresi di scoprire che il trasferimento di potenza può, infatti, essere potenziato trasmettendo una parte della potenza ricevuta dalla batteria in carica all'antenna ricevente."

    Bobine e trasformatori

    Il trasferimento di potenza wireless è stato originariamente proposto da Nikola Tesla alla fine del XIX secolo. Riuscì ad accendere lampade fluorescenti e ad incandescenza a distanza senza fili che collegassero le lampade a un generatore. Per realizzare questa impresa, usò il principio dell'induzione elettromagnetica:quando una corrente alternata passa attraverso una bobina, cioè un conduttore avvolto a spirale attorno a un nucleo cilindrico, questo dà origine a un campo magnetico alternato sia all'interno che all'esterno della bobina. La legge di Faraday dice che se una seconda bobina viene posta in questo campo magnetico (figura 1), una corrente elettrica viene indotta in quest'altra bobina, che può quindi essere utilizzato per caricare un accumulatore o per altri scopi.

    Potrebbe non essere ovvio, ma il trasferimento di potenza wireless è già ampiamente utilizzato. Per esempio, bobine di induzione non collegate sono il cuore dei trasformatori nei televisori, smartphone, lampade a risparmio energetico, linee elettriche, ecc. Aumentando o diminuendo la tensione alternata nella rete elettrica e nei singoli dispositivi, i trasformatori consentono una trasmissione di potenza efficiente e il funzionamento dell'elettronica di consumo. A parte quello, una tecnologia analoga a quella proposta da Tesla è stata recentemente implementata nei pad di ricarica wireless per telefoni e auto elettriche. La ricarica induttiva inizia a funzionare nel momento in cui un'auto elettrica o un telefono che supporta la tecnologia entra nel raggio d'azione.

    Come oggi, però, "nel raggio di azione" significa proprio sopra il caricatore, e questa è una delle principali carenze della tecnologia attualmente disponibile. Il problema è che la forza del campo magnetico generato dalla bobina nel caricatore è inversamente proporzionale alla distanza da essa, cioè il campo svanisce rapidamente con la distanza. Quindi la seconda bobina, che è integrato nel dispositivo, deve essere piuttosto vicino per indurre una corrente notevole. Ecco perché i nuclei magnetici vengono utilizzati per confinare e guidare i campi magnetici nei trasformatori. Ed è anche per questo che i caricabatterie wireless funzionano su distanze inferiori a 3-5 centimetri. Quella gamma potrebbe, Certo, essere potenziato aumentando la dimensione di una delle bobine o la corrente in essa contenuta, ma ciò significherebbe campi magnetici più forti potenzialmente dannosi per l'uomo intorno ai dispositivi. Nella maggior 'parte dei Paesi, c'è un limite legale al potere di radiazione. Per esempio, in Russia, la densità di radiazione intorno alle torri cellulari non può superare i 10 microwatt per centimetro quadrato.

    Antenna ricevente. SF denota radiazione incidente, mentre sw? è l'energia che alla fine entra nel circuito elettrico e sw+ è il segnale ausiliario. Credito:Alex Krasnok et al./ Lettere di revisione fisica

    Trasmissione di potenza via etere

    Esistono altri modi per trasmettere energia senza fili che funzionano su lunghe distanze. Queste tecniche, noto come trasferimento di energia in campo lontano, o raggi di potenza, usa due antenne, uno dei quali invia energia sotto forma di onde elettromagnetiche all'altro, che poi converte la radiazione in correnti elettriche. L'antenna trasmittente non può essere sostanzialmente migliorata, perché fondamentalmente genera solo onde. L'antenna ricevente, al contrario, ha molto più margine di miglioramento.

    È importante sottolineare che l'antenna ricevente non assorbe tutta la radiazione incidente ma ne riirradia una parte. Parlando in generale, la risposta dell'antenna è determinata da due parametri chiave:i tempi di decadimento τF e τw nella radiazione nello spazio libero e nel circuito elettrico, rispettivamente. Questi tempi di decadimento indicano quanto tempo impiega l'ampiezza di un'onda a diminuire di un certo fattore, di solito si usa il numero e. Il rapporto tra questi due valori determina quanta dell'energia trasportata da un'onda incidente viene "estratta" dall'antenna ricevente. Quando i due tempi di decadimento sono uguali viene estratta una quantità massima di energia. Se τF è minore di w, la reirradiazione inizia troppo presto. Al contrario, se τF è maggiore di w, l'antenna è troppo lenta per assorbire la radiazione incidente. Quando i due tempi sono uguali, gli ingegneri dicono che la condizione di corrispondenza coniugata è stata soddisfatta. In altre parole, l'antenna è sintonizzata. Sebbene le antenne siano prodotte tenendo presente questa condizione, raggiungere una precisione assoluta è abbastanza difficile. Per di più, anche un'antenna perfetta può essere facilmente depotenziata a causa di un cambiamento di temperatura, segnali riflessi dal terreno, e altri fattori esterni. Finalmente, la quantità di energia assorbita dipende anche dalla frequenza di radiazione ed è massimizzata per onde le cui frequenze corrispondono alla frequenza di risonanza dell'antenna.

    È importante sottolineare che quanto sopra è vero solo per un'antenna passiva. Se, però, il ricevitore trasmette un segnale ausiliario all'antenna e l'ampiezza e la fase del segnale corrispondono a quelle dell'onda incidente, i due interferiranno, potenzialmente alterando la proporzione di energia estratta. Questa configurazione è discussa nel documento riportato in questa storia, che è stato scritto da un team di ricercatori con Denis Baranov del MIPT e guidato da Andrea Alù.

    Sfruttare le interferenze per amplificare le onde

    Prima di implementare la loro configurazione di trasmissione di potenza proposta in un esperimento, i fisici hanno stimato teoricamente quale miglioramento potrebbe offrire su una normale antenna passiva. Si è scoperto che se la condizione di corrispondenza coniugata è soddisfatta in primo luogo, non c'è alcun miglioramento:l'antenna è perfettamente sintonizzata per cominciare. Però, per un'antenna depotenziata i cui tempi di decadimento differiscono in modo significativo, ovvero quando τF è diverse volte maggiore di w, o viceversa:il segnale ausiliario ha un effetto notevole. A seconda della sua fase e ampiezza, la proporzione di energia assorbita può essere parecchie volte maggiore rispetto alla stessa antenna depotenziata in modalità passiva. Infatti, la quantità di energia assorbita può arrivare fino a quella di un'antenna sintonizzata.

    Per confermare i loro calcoli teorici, i ricercatori hanno modellato numericamente un'antenna dipolo lunga 5 centimetri collegata a una fonte di alimentazione e l'hanno irradiata con onde da 1,36 gigahertz. Per questa configurazione, la dipendenza del bilancio energetico dalla fase e dall'ampiezza del segnale generalmente coincideva con le previsioni teoriche. interessante, l'equilibrio è stato massimizzato per uno sfasamento zero tra il segnale e l'onda incidente. La spiegazione offerta dai ricercatori è questa:in presenza del segnale ausiliario, l'apertura effettiva dell'antenna è migliorata, quindi raccoglie più energia di propagazione nel cavo. Questo aumento di apertura è evidente dal vettore di Poynting attorno all'antenna, che indica la direzione del trasferimento di energia della radiazione elettromagnetica.

    Oltre alle simulazioni numeriche, il team ha eseguito un esperimento con due adattatori coassiali, che fungevano da antenne a microonde ed erano posizionate a 10 centimetri l'una dall'altra. Uno degli adattatori irradiava onde con potenze di circa 1 milliwatt, e l'altro ha tentato di raccoglierli e trasmettere l'energia in un circuito attraverso un cavo coassiale. Quando la frequenza è stata impostata su 8 gigahertz, gli adattatori funzionavano come antenne sintonizzate, trasferimento di potenza praticamente senza perdite. A frequenze più basse, però, l'ampiezza della radiazione riflessa è aumentata bruscamente, e gli adattatori funzionavano più come antenne depotenziate. Nel secondo caso, i ricercatori sono riusciti ad aumentare di quasi dieci volte la quantità di energia trasmessa con l'aiuto di segnali ausiliari.

    A novembre, un team di ricercatori tra cui Denis Baranov ha dimostrato teoricamente che un materiale trasparente può essere fatto per assorbire la maggior parte della luce incidente, se l'impulso luminoso in ingresso ha i giusti parametri (nello specifico, l'ampiezza deve crescere esponenzialmente). Già nel 2016, fisici del MIPT, Università ITMO, e l'Università del Texas ad Austin ha sviluppato nanoantenne che diffondono la luce in direzioni diverse a seconda della sua intensità. Questi possono essere utilizzati per creare canali di trasmissione ed elaborazione dati ultraveloci.

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