Энергия радиоволн: Урок 13. радиоволны и особенности их распространения — Естествознание — 11 класс

Энергия радиоволн для питания носимых устройств | Блоги

Радиоволны, от микроволновых печей до соединений Wi-Fi, пронизывающие окружающую среду, являются не только потребляемой энергией, но и сами являются источниками энергии. Международная группа исследователей во главе с Хуанью «Ларри» Ченом (Huanyu «Larry» Cheng), профессором Дороти Квиггл (Dorothy Quiggle) по развитию карьеры из Департамента инженерных наук и механики штата Пенсильвания, разработала способ сбора энергии радиоволн для питания носимых устройств.

По словам Чена, нынешние источники энергии для носимых устройств мониторинга здоровья используются для питании сенсорных устройств, но у каждого из них есть свои недостатки. Например, солнечная энергия может собираться только при воздействии солнца. Трибоэлектрическое устройство с автономным питанием может собирать энергию только тогда, когда тело находится в движении.

«Мы не хотим заменять ни один из этих нынешних источников энергии, — сказал Чен. — Мы пытаемся обеспечить дополнительную постоянную энергию».

Исследователи разработали растягиваемую широкополосную дипольную антенную систему, способную передавать по беспроводной сети данные, полученные с датчиков мониторинга состояния здоровья. Система состоит из двух растягиваемых металлических антенн, интегрированных с проводящим графеновым материалом с металлическим покрытием. Широкополосная конструкция системы позволяет ей сохранять свои частотные функции даже при растяжении, изгибе и скручивании. Затем эту систему подключают к растягиваемой выпрямительной схеме, создавая выпрямленную антенну или «ректенну», способную преобразовывать энергию электромагнитных волн в электричество. Это электричество, которое можно использовать для питания беспроводных устройств или для зарядки устройств хранения энергии, таких как батареи и суперконденсаторы.

Эта ректенна может преобразовывать радио или электромагнитные волны из окружающей среды в энергию для питания сенсорных модулей на устройстве, которые отслеживают температуру, гидратацию и уровень кислорода в импульсном режиме. По сравнению с другими источниками, вырабатывается меньше энергии, но система может вырабатывать энергию непрерывно, что является значительным преимуществом, по словам Чена.

«Мы используем энергию, которая уже окружает нас – радиоволны есть везде и всегда, — сказал Чен. — Если мы не используем эту энергию из окружающей среды, она просто тратится впустую. Мы можем собрать эту энергию и сделать ее полезной».

Чен сказал, что эта технология является строительным блоком для него и его команды. Объединение ее с их новым устройством беспроводной передачи данных обеспечит критически важный компонент, который будет работать с существующими модулями датчиков команды.

«Нашими следующими шагами будет исследование миниатюрных версий этих схем и работа над повышением растяжимости выпрямителя, — сказал Чен. — Это платформа, на которой мы можем легко комбинировать и применять эту технологию с другими модулями, которые мы создали в прошлом. Она легко расширяется или адаптируется для других приложений, и мы планируем изучить эти возможности».

Международная группа исследователей во главе с Хуанью «Ларри» Ченом и проф. Дороти Квиггл разработала растягиваемую антенну и систему ректенна, которая собирает энергию радиоволн из окружающей среды для питания носимых устройств

Де і як компаніям необхідно укріпити свій захист

Идеи использования энергии радиоволн | RUQRZ.COM

Электромагнитное излучение сейчас повсюду, куда ни плюнь. Радио, телевидение, мобильная и спутниковая связи, бытовые приборы. Сейчас мы буквально «купаемся» в море электромагнитного излучения которое сами же производим, ее еще называют «электронным смогом». Используем неэффективно и бездарно разбазариваем. Платим огромные деньги за энергоносители, а использовать толком не научились. Даже бумагу, пластик и металл может повторно перерабатывать и использовать, а энергию электромагнитного излучения нет. Лишь немногие знают о том, что эту энергию можно повторно использовать. Как?

Энергия вокруг нас

В последнее время был ряд публикаций на тему получения энергии из вакуума. Тема конечно интересная и для многих еще не привычная и непонятная. Об этом говорит вал критики в комментариях к таким публикациям. Все мы привыкли, что электричество в подавляющем большинстве случаев приходит к нам по проводам от электростанций. Не для кого так же не являются экзотикой солнечные батареи и ветрогенераторы. Некоторые их даже используют, хотя до массового применения пока еще далековато, процент использования «даровой» энергии все еще сравнительно низкий.

Много разговоров в ученом мире идет о так называемой «Темной материи» и соответсвенно находящейся в ней «темной энергии». Пока что использование такой энергии остается «делом темным». Известно только что вокруг нас этой энергии полно. Но мало кто знает (а точнее не замечает) тот факт что вокруг нас полно другой, давно привычной нам энергии — электромагнитных волн.

Детекторные приемники

Еще будучи школьником посещал кружок радиоэлектроники, где мы с ребятами собирали свои первые электронные схемы. Среди них были и приемники, которые могли работать без батареек(!). «Как такое возможно?» Да очень просто — для работы такого приемника достаточно энергии радиоволн излучаемых передающей станцией (особенно если она недалеко находится). Подобных схем детекторных приемников можно найти немало.

Радио это конечно интересно, но хотелось попробовать использовать энергию радиоволн иначе, например для питания игрушечного электромоторчика. Он крутился, но энергии для него оказалось маловато. Но все-таки работало!

Действие источников постоянного тока, которые описаны ниже, основано на использовании так называемой свободнодоступной энергии, т. е. энергии радиоволн мощной местной радиостанции. Такие источники позволяют питать транзисторные приемники (на 1…3 транзисторах). Был проведен такой опыт. Вдали от города на высоте 4 м подвешивали проволочную антенну длиной около 30 м. На нагрузке 9 кОм была выделена мощность постоянного тока 0,9 мВт. При этом передатчик мощностью 1 кВт и рабочей частотой 1,6 МГц находился на расстоянии около 2,5 км. На зажимах конденсатора фильтра (при холостом ходе) были зафиксировано напряжение примерно 5 В. Такие результаты получаются только с помощью большой антенны, направленной на передатчик.

На практике находят применение другие более эффективные схемы. Известны три способа питания приемников от выпрямленного ВЧ напряжения радиостанции. Первый заключается в том, что прием радиостанции ведется на две антенны. Сигналы радиостанций, принимаемые второй антенной, преобразуются в постоянный ток, который используется для питания приемника. При другом способе используется одна антенна и часть улавливаемой ею энергии отводится в схему преобразователя. В последнем способе применяются две антенны: первая антенна — для приема радиопередач, которые слушают, а вторая принимает сигналы другой радиостанции, которые преобразуются в напряжение питания.

Простейшая схема беспроводной радиоточки изображена на рис. а—в. Она может принимать местную радиостанцию, например, ту же «Варшаву II» и одновременно использовать ее энергию для преобразования в э. д. с. постоянного тока. Для приема радио волн частотой выше 50 МГц, т. е. сигналов передатчиков УКВ (например, телевизионных), преобразователь ВЧ напряжения должен иметь специальную антенну — петлевой вибратор (диполь). Эта антенна может одновременно работать в средневолновом диапазоне, как на приемник, так и на источник питания. Если энергии одного вибратора недостаточно, то применяют несколько антенн этого типа (рис. д), соединенных последовательно (для увеличения напряжения) или параллельно (для увеличения силы тока).

С помощью антенны, изображенной на рис. д, улавливающей энергию радиоволн 50-кВт передатчика, работающего в диапазоне 50…250 МГц, получили мощность постоянного тока около 3 мВт. Антенна находилась на расстоянии 1,5 км от передатчика. На рис. е показана схема приемника с двумя антеннами, одна из которых (УКВ) используется в источнике питания. Средневолновый приемник может работать с любой антенной, в то время как к источнику питания должны поступать энергия ВЧ колебаний от дипольной антенны. В положении 1 выключателя В1 устройство действует как сигнализатор, приводимый в действие модулированным ВЧ сигналом, в положении 2 как приемник.

Интересным примером использования энергии радиоволн для питания радиоустройств может служить схема, изображенная на рис. ж. Это радиобуй (наземный, речной или морской), который включается сигналом передатчика, установленного на автомашине, пароходе, планере или самолете. Сигналы запроса запускают передатчик на буе, ответные сигналы которого служат для определения его местоположения. Сигнальные устройства такого типа облегчают поиски людей, заблудившихся в море, горах, густых лесных массивах и т, п. Они являются частью экипировки туристов и альпинистов. Умелое использование энергии радиоволн позволит, по-видимому, существенно уменьшить размеры слуховых аппаратов, приемников, устройств дистанционного управления, игрушек и т. п. Следует, однако, сказать, что, как показали эксперименты, приемлемых результатов при питании приемников от выпрямленного ВЧ напряжения принимаемых радиоволн можно добиться, только применяя тщательно настроенные антенны и хорошее заземление. Другой недостаток состоит в том, что величина выпрямленного напряжения зависит от глубины модуляции несущей частоты во время приема.

Если есть электромагнитное излучение, значит оно обладает энергией и эту энергию можно использовать. Здесь ничего не противоречит законам физики, в отличии от так называемых «генераторов энергии из вакуума». В данном случае речь идет о реальном энергетическом излучении.

Сама по себе эта идея не нова, ей примерно столько же лет, что и самому радиовещанию. Заметки на эту тему можно найти и в отечественных журналах, издававшихся на заре нашего радиолюбительства. Понятно, что много «свободной энергии» от такого источника не получишь, да и вообще заниматься этим имеет смысл только тем, кто живет на относительно небольшом удалении от передатчиков.

Во например схема американского радиолюбителя Майкла Ли:

Для приема «свободной энергии» автор использовал антенну (WA1) и систему заземления любительской радиостанции. Антенна — луч длиной 43 метра. Это в несколько раз меньше длины волны средневолновых радиостанций, поэтому входной импеданс такой антенны имеет заметную емкостную составляющую. Соединенные параллельно конденсатор переменной емкости С1 и постоянный конденсатор С2 включены с ней последовательно, что позволяет регулировать приведенное значение емкостной составляющей в точке подключения верхнего (по схеме) вывода катушки L1 (иными словами, изменять резонансную частоту последовательного контура, образованного этой катушкой и емкостью антенны).

При резонансе контура на катушке L1 может возникать значительное ВЧ напряжение от несущей радиостанции, на которую настроен колебательный контур. В экспериментах автора при индуктивности катушки L1 39 мкГн резонанс на частоте 1370 кГц (на ней работала самая мощная местная радиостанция) наступал при суммарной емкости конденсаторов С1 и С2. равной 950 пФ (интервал перестройки ограничен частотами 1100 и 1600 кГц).

Поскольку ВЧ напряжение в данном случае надо снимать с высокоомной цепи, диод выпрямителя VD1 подключен к отводу катушки. Его место подбирают при налаживании устройства по максимальной выходной мощности. Как отмечает автор, место отвода было не критично: примерно одинаковые результаты получались, когда он находился в интервале от 1/4 до 1/6 числа витков катушки, считая от ее нижнего (по схеме) вывода.

Для того чтобы избежать перезарядки аккумулятора или выхода из строя диодов выпрямителя при отключении аккумулятора (из-за возможного их пробоя обратным напряжением), в устройство введен узел защиты на транзисторах VT1 и VT2. При напряжении на нагрузке менее 12 В ток через стабилитрон VD3 не протекает, поэтому транзисторы закрыты. При увеличении напряжения сверх этого значения они открываются и резистор R4 шунтирует выход выпрямителя.

По измерениям автора, устройство, настроенное на частоту указанной выше радиостанции, обеспечивало ток зарядки аккумуляторной батареи до 200 мА. (К сожалению, сведений о мощности передатчика в заметке нет, сказано лишь, что расстояние до него около 1,6 км). По оценкам, концентратор за год «выдал» около 1700 А-ч для зарядки батареи… Причем, в отличие, например, от солнечных батарей, его можно использовать практически круглосуточно (точнее, в течение всего времени работы радиостанции).

Для настройки контура автор применил конденсатор переменной емкости с большим зазором между пластинами ротора и статора, но если напряжение, развиваемое в системе при резонансе, не слишком велико, можно использовать и конденсатор с воздушным диэлектриком от радиовещательного приемника.

Катушка индуктивности L1 намотана на каркасе диаметром 50 мм и содержит 60 витков провода диаметром 1,6 мм, длина намотки — 250 мм (шаг — примерно 4 мм). Магнитопровод дросселя 12 — кольцевой Т-106-2 (27×14,5×11,1 мм) из карбонильного железа, обмотка состоит из 88 витков провода диаметром 0,4 мм. Диоды VD1 и VD2 рассчитаны на прямой ток до 1 А и обратное напряжение 40 В. Стабилитрон VD3 — с напряжением стабилизации 12 В.

Разумеется, при повторении устройства параметры элементов колебательного контура (индуктивность катушки L1 и емкость конденсаторов С1 и С2) должны быть скорректированы под имеющуюся антенну и частоту местной радиостанции.

Д.Р.

Ученый ЛЭТИ приступил к созданию датчиков, «питающихся» от радиоволн

Разработка аспиранта кафедры электронных приборов и устройств СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Романа Ли позволит увеличить длительность автономной работы систем мониторинга внешней среды до пяти лет.

05.03.2022 573

Основной проблемой современных универсальных промышленных систем мониторинга параметров внешней среды, таких как температура и влажность воздуха, является малая длительность работы от аккумуляторной батареи. В связи с этим возникает необходимость в замене источников питания, а в некоторых случаях и датчиков целиком. Это приводит к увеличению стоимости обслуживания системы, особенно в промышленных условиях с необходимостью в наличии большого числа датчиков.

Снизить расходы, связанные с периодической заменой аккумуляторной батареи или самого датчика в беспроводных сенсорных устройствах, за счет увеличения длительности автономной работы и увеличить время работы устройства до пяти лет призван проект аспиранта кафедры электронных приборов и устройств (ЭПУ) СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Романа Ли «Разработка беспроводных датчиков с увеличенной длительностью автономной работы и системы мониторинга параметров на их основе». Работа молодого ученого была отмечена на конкурсе грантов студентов вузов, расположенных на территории Санкт-Петербурга, аспирантов вузов, отраслевых и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга.

«Научная новизна разрабатываемой беспроводной системы мониторинга заключается в идее увеличения длительности автономной работы за счет обеспечения питания системы и осуществления подзарядки аккумуляторной батареи с помощью системы сбора энергии радиоволн дециметрового диапазона, получающей энергию от генератора незатухающих гармонических колебаний».

Аспирант кафедры ЭПУ СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Роман Ли

Разрабатываемое Романом решение представляет собой две соединенные платы размером 50х50 миллиметров. Первая собирает данные с датчиков температуры и влажности для последующей беспроводной передачи этих данных в приемное устройство. «Питание этой платы как раз и осуществляется от аккумулятора. В плате реализована модульная архитектура, позволяющая подключать систему сбора энергии для подзарядки и различные первичные преобразователи, датчики», – комментирует разработчик. Вторая плата является стационарной – питается от персонального компьютера и осуществляет прием, обработку данных с первой платы и передачу этих данных в персональный компьютер. На данный момент широко используемых в промышленности прямых аналогов не существует.

По словам Романа, длительность автономной работы системы мониторинга параметров разрабатываемых датчиков будет увеличена за счет возможности подключения модуля системы сбора энергии, состоящего из антенны, выпрямителя и DC-DC преобразователя – устройства, применяющегося для изменения выходного напряжения как в большую, так и в меньшую сторону, относительно напряжения на входе. Для повышения эффективности системы сбора энергии также будут оптимизированы алгоритмы работы устройства для максимального снижения потребляемой мощности.

«Основная сфера применения разрабатываемого устройства – создание температурных карт в складских помещениях промышленных предприятий, использующих более 100 датчиков. Принцип системы сбора энергии электромагнитных волн может быть адаптирован для любого устройства, автономная работа которого обеспечивается за счет аккумулятора», – отмечает Роман Ли.

Проект реализуется на базе лаборатории кафедры ЭПУ и научно-исследовательского конструкторско-технологического института биотехнических систем (НИКТИ БТС).


Оборудование и Технологии

Аппарат высокочастотный электрохирургический «ФОТЕК»

Аппарат высокочастотный электрохирургический «ФОТЕК»

Электрохирургический высокочастотный аппарат «ФОТЕК» является одним из самых эффективных современных аппаратов, применяемых в радиоволновой хирургии. Он применяется в различных областях медицины, в том числе в стоматологии, хирургии, пластической хирургии, косметологии и др. Высокочастотная электрохирургия представляет раздел хирургии, в котором для рассечения тканей используются высокочастотные токи. Основой данного метода является эффект образования радиоволновой энергии из электрической.

Радиоволновая хирургия – это атравматический метод разреза и коагуляции мягких тканей без их разрушения.

Разрез достигается за счет преобразования высокочастотных излучений радиоволны в энергию, которая концентрируется на конце активного элемента. Данная энергия приводит к испарению тканей, причем подлежащие ткани не подвергаются травме.

Выделяют следующие
преимущества лечения при помощи ФОТЕК:
  • одновременно с рассечением тканей процедура позволяет проводить коагуляцию сосудов, что позволяет практически полностью избежать кровотечений
  • отсутствует тепловое поражение и некроз тканей, исключается послеоперационное воспаление, уменьшаются сроки заживления раны, не образуются рубцы
  • “стерилизующий” эффект процедуры позволяет проводить ее даже при наличии хронических воспалительных процессов

Аппарат также применяют для получения материала для биопсии, при этом не оставляя участков обугливания, без значительной деструкции ткани, что несомненно влияет на качество гистологического исследования.

Область применения аппарата «ФОТЕК»:

В стоматологии применяется для коагуляции пульпы и удаления новообразований на коже и слизистой. Позволяет проводить гингивэктомию, гингивопластику, открытый кюретаж, резекцию опухолей, удаление гиперплазии.


Возврат к списку

Новая антенна эффективно добывает энергию из радиоволн

Георгий Голованов

Инженеры из Университета Южной Флориды разработали новую антенну на основе метаповерхностей, способную улавливать радиоволны типа тех, которые используются в сотовой связи или в Bluetooth-устройствах. Такая система может стать источником беспроводной энергии для маломощных датчиков, светодиодов и другой простой электроники, которой трудно или невозможно регулярно менять батарейки.

Самые интересные технологические и научные новости выходят в нашем телеграм-канале Хайтек+. Подпишитесь, чтобы быть в курсе.

Ученые пытаются получать электричество из радиоволн довольно давно, но пока безуспешно, по крайней мере, в больших количествах. Однако благодаря появлению метаматериалов и все большему количеству источников — мобильных телефонов, сигналов Wi-Fi, GPS и Bluetooth — ситуация меняется.

Метаматериалы используют небольшие, тщательно спроектированные структуры для взаимодействия со светом и радиоволнами, чего не происходит с природными материалами. Для изготовления антенны, собирающей энергию, исследователи использовали метаматериал, разработанный для сильного поглощения радиоволн и позволяющий более высокому напряжению проходить через диод устройства. Это повысило его эффективность при преобразовании радиоволн в энергию, особенно при низкой интенсивности, рассказывает Phys.org.

Новая антенна создана из метаматериала с высокой степенью поглощения радиоволн. Лабораторные испытания новой антенны показали, что прототип размером 16 на 16 см собирает 100 мВт энергии волн интенсивностью всего 0,4 мВт/см2 — это хватит, чтобы питать простые устройства от радиоволн малой мощности.

«Мы также положили мобильный телефон рядом с антенной во время звонка и собрали достаточно энергии, чтобы запитать светодиод на время разговора, — сказал Чжоу Цзянфэн, руководитель проекта. — Хотя практичнее было бы улавливать энергию от сотовых вышек, этот пример наглядно иллюстрирует возможности антенны».

Поскольку нынешняя версия антенны намного больше, чем большинство устройств, которые она в состоянии питать, разработчики собираются уменьшить ее. А также работают над созданием модели, способной собирать энергию из множества видов радиоволн одновременно.

Ученые из США изготовили в прошлом году эластичную широкополосную вибраторную антенну, способную без проводов передавать данные, которые собирают медицинские датчики. Система состоит из двух металлических антенн, интегрированных на проводящий одноатомный материал графен с металлическим покрытием.

С 21 февраля в небе над Кировской областью начинается весенняя солнечная интерференция. Это космическое явление, которое может влиять на телесигналы спутников связи.

Солнце излучает энергию как в виде света, так и в виде радиоволн. Интерференция возникает, когда Земля поворачивается к Солнцу Северным полушарием. В какой-то момент Солнце оказывается ровно позади спутника связи, на одной линии с приемной земной станцией. В это время сигналы спутника глушатся более мощными сигналами Солнца. Расположение Солнца на прямой линии со спутником связи и приемной земной станцией длится несколько минут в сутки. Затем благодаря вращению Земли вокруг своей оси спутник связи уходит из-под «солнечной засветки».

В Кировской области кратковременные прерывания сигнала могут наблюдаться вплоть до 16 марта с 11:57 до 13:05. Продолжительность помех в каждом случае — от нескольких секунд до 15 минут.

Цифровые технологии трансляции позволили свести к минимуму воздействие интерференции. В пиковые моменты радиотелевизионные станции переходят на прием сигнала с резервного спутника.

При этом не все приемное оборудование телезрителей способно быстро «поймать» восстановившийся сигнал со станции. Телевизоры или приставки с устаревшим программным обеспечением могут накапливать ошибки. Это приводит к замиранию, рассыпанию или полному пропаданию «картинки». Если качество изображения не приходит в норму, рекомендуется перезагрузить телевизор или приставку. Для этого нужно на минуту выключить телевизор и приставку из розетки и включить заново. Если это не помогло, необходимо запустить в меню автопоиск каналов. Это позволит восстановить прием.

График возможных помех трансляции теле- и радиопрограмм в нашей области публикуется на сайте ртрс.рф в разделе «Временные отключения телерадиоканалов» и в Кабинете телезрителя, а также во вкладке «Вещание» в мобильном приложении «Телегид». Приложение бесплатно для пользователей. Скачать его можно в App Store или Play Market.

This entry was posted in Новости on by Юрий Нохрин.

Радиоволны Wi-Fi преобразовали в энергию для зарядки электроники — Железо на DTF

{«id»:737114,»type»:»num»,»link»:»https:\/\/dtf.ru\/hard\/737114-radiovolny-wi-fi-preobrazovali-v-energiyu-dlya-zaryadki-elektroniki»,»gtm»:»»,»prevCount»:null,»count»:83}

{«id»:737114,»type»:1,»typeStr»:»content»,»showTitle»:false,»initialState»:{«isActive»:false},»gtm»:»»}

{«id»:737114,»gtm»:null}

6145 просмотров

Исследовательская группа из Национального Университета Сингапура (NUS) и японского Университета Тохоку (TU) разработала систему для сбора и преобразования беспроводных сигналов в энергию для питания небольшой электроники.

Количество источников Wi-Fi во всём мире растёт с каждым днём. Это приводит к повсеместному использованию радиочастоты 2,4 ГГц, которая и заинтересовала инженеров.

Они разработали микросхему на основе осцилляторов крутящего момента и провели успешный эксперимент по сбору сигнала Wi-Fi, преобразовав его в беспроводное питание LED-светодиода, без использования дополнительных батарей.

Мы окружены сигналами Wi-Fi, но когда мы не используем их для доступа в интернет — они неактивны, и это большая трата ресурсов. Наша работа знаменует собой шаг к превращению доступных радиоволн 2,4 ГГц в зелёный источник энергии, чтобы снизить надобность в батареях для питания электроники.

Ян Хёнсу

Профессор электротехники NUS

Осцилляторы крутящего момента (STO) — это новый класс устройств, которые генерируют микроволны. Их применение в системах беспроводной связи пока затруднено из-за низкой выходной мощности.

Чтобы преодолеть пространственные и низкочастотные ограничения, инженеры разработали массив из восьми последовательно-соединённых осцилляторов. Благодаря ему, электромагнитные радиоволны были преобразованы в сигнал постоянного напряжения, который в свою очередь передавался на конденсатор для питания светодиода 1,6 В.

Отмечается, что индикатор заряжался в течение пяти секунд и горел более одной минуты после отключения беспроводного питания.

В дальнейшем исследователи планируют увеличить количество STO в разработанном ими массиве, а также провести эксперименты с другими датчиками. Технология может найти применение в рамках концепции умного дома и интернета вещей.

Ранее стало известно о разработке самого маленького в мире ультразвукового чипа, который можно имплантировать в организм через обычную медицинскую иглу.

Проект по сбору энергии направлен на превращение высокочастотных электромагнитных волн в полезную мощность | Новости Массачусетского технологического института

Примечание. Эта история была обновлена ​​18 декабря, чтобы уточнить, что сигналы Wi-Fi находятся в микроволновом диапазоне частот, а не в терагерцовом, как сообщалось изначально. Устройство, описанное в статье, будет преобразовывать энергию в диапазоне электромагнитных частот, включая терагерцовые волны и микроволны, для питания электронных устройств, таких как имплантаты. Однако этой энергии будет недостаточно для зарядки мобильных телефонов.

Терагерцовые волны — это электромагнитное излучение с частотой где-то между микроволнами и инфракрасным светом. Также известные как «Т-лучи», они производятся практически всем, что регистрирует температуру, включая наши собственные тела и неодушевленные предметы вокруг нас.

Волны

Терагерц проникают в нашу повседневную жизнь, и если их использовать, их концентрированная энергия потенциально может служить альтернативным источником энергии. Однако на сегодняшний день не существует практического способа их захвата и преобразования в какую-либо пригодную для использования форму.

Физики из Массачусетского технологического института разработали проект устройства, которое, по их мнению, сможет преобразовывать терагерцовые волны в постоянный ток — форму электричества, питающую многие виды бытовой электроники.

В их конструкции используется квантово-механическое или атомное поведение графена из углеродного материала. Они обнаружили, что при объединении графена с другим материалом, в данном случае с нитридом бора, электроны в графене должны исказить свое движение в общем направлении.Любые входящие терагерцовые волны должны «перебрасывать» электроны графена, как и многие крошечные авиадиспетчеры, чтобы течь через материал в одном направлении, как постоянный ток.

Сегодня исследователи опубликовали свои результаты в журнале Science Advances и работают с экспериментаторами, чтобы превратить их конструкцию в физическое устройство.

«Мы окружены электромагнитными волнами, — говорит ведущий автор Хироки Исобе, постдоктор Лаборатории исследования материалов Массачусетского технологического института.«Если мы сможем преобразовать эту энергию в источник энергии, который мы сможем использовать в повседневной жизни, это поможет решить энергетические проблемы, с которыми мы сталкиваемся прямо сейчас».

Соавторами

Isobe являются Лян Фу, адъюнкт-профессор физики Массачусетского технологического института Лоуренса С. и Сары В. Биденхарн по развитию карьеры; и Су-янг Сюй, бывший постдоктор Массачусетского технологического института, который сейчас является доцентом химии в Гарвардском университете.

Нарушение симметрии графена

За последнее десятилетие ученые искали способы сбора и преобразования энергии окружающей среды в полезную электрическую энергию.Они сделали это в основном с помощью выпрямителей, устройств, которые предназначены для преобразования электромагнитных волн из их колебательного (переменного) тока в постоянный ток.

Большинство выпрямителей предназначены для преобразования низкочастотных волн, таких как радиоволны, с использованием электрической цепи с диодами для создания электрического поля, которое может направлять радиоволны через устройство в виде постоянного тока. Эти выпрямители работают только до определенной частоты и не могут работать в терагерцовом диапазоне.

Несколько экспериментальных технологий, способных преобразовывать терагерцовые волны в постоянный ток, делают это только при сверхнизких температурах, что было бы трудно реализовать на практике.

Вместо того, чтобы превращать электромагнитные волны в постоянный ток, применяя внешнее электрическое поле в устройстве, Изобе задался вопросом, можно ли на квантово-механическом уровне заставить собственные электроны материала течь в одном направлении, чтобы направлять входящие терагерцовые волны. в постоянный ток.

Такой материал должен быть очень чистым или свободным от примесей, чтобы электроны в материале могли проходить сквозь него, не рассеиваясь на неровностях материала. Графен, как он обнаружил, был идеальным исходным материалом.

Чтобы направить электроны графена в одном направлении, ему пришлось бы нарушить присущую материалу симметрию, или то, что физики называют «инверсией». Обычно электроны графена испытывают между собой равную силу, а это означает, что любая поступающая энергия будет симметрично рассеивать электроны во всех направлениях.Изобе искал способы сломать инверсию графена и вызвать асимметричный поток электронов в ответ на поступающую энергию.

Просматривая литературу, он обнаружил, что другие экспериментировали с графеном, помещая его поверх слоя нитрида бора, аналогичной сотовой решетки, состоящей из двух типов атомов — бора и азота. Они обнаружили, что при таком расположении силы между электронами графена были выведены из равновесия: электроны, расположенные ближе к бору, испытывали определенную силу, а электроны, расположенные ближе к азоту, испытывали другое притяжение.Общий эффект заключался в том, что физики называют «косым рассеянием», при котором облака электронов искажают свое движение в одном направлении.

Isobe разработал систематическое теоретическое исследование всех способов, которыми электроны в графене могут рассеиваться в сочетании с нижележащим субстратом, таким как нитрид бора, и того, как это рассеяние электронов повлияет на любые входящие электромагнитные волны, особенно в терагерцовом диапазоне частот.

Он обнаружил, что входящие терагерцовые волны заставляют электроны наклоняться в одном направлении, и это наклонное движение генерирует постоянный ток, если бы графен был относительно чистым.Если бы в графене существовало слишком много примесей, они действовали бы как препятствия на пути электронных облаков, заставляя эти облака рассеиваться во всех направлениях, а не двигаться как одно целое.

«С большим количеством примесей это асимметричное движение просто заканчивается колебанием, и любая поступающая терагерцовая энергия теряется из-за этих колебаний», — объясняет Изобе. «Поэтому мы хотим, чтобы чистый образец эффективно воспроизводил искаженное движение».

Одно направление

Они также обнаружили, что чем сильнее поступающая терагерцовая энергия, тем больше этой энергии устройство может преобразовать в постоянный ток.Это означает, что любое устройство, преобразующее Т-лучи, должно также включать способ концентрации этих волн до того, как они попадут в устройство.

Имея все это в виду, исследователи разработали чертеж терагерцового выпрямителя, состоящего из небольшого квадрата графена, расположенного поверх слоя нитрида бора и зажатого внутри антенны, которая будет собирать и концентрировать окружающее терагерцовое излучение, усиливая его. сигнала достаточно, чтобы преобразовать его в постоянный ток.

«Это будет работать очень похоже на солнечный элемент, за исключением другого диапазона частот, для пассивного сбора и преобразования энергии окружающей среды», — говорит Фу.

Команда подала патент на новую конструкцию «высокочастотного выпрямления», и исследователи работают с физиками-экспериментаторами из Массачусетского технологического института над разработкой физического устройства на основе их конструкции, которое должно работать при комнатной температуре, а не при комнатной температуре. сверхнизкие температуры, необходимые для предыдущих терагерцовых выпрямителей и детекторов.

«Если устройство работает при комнатной температуре, мы можем использовать его для многих портативных приложений», — говорит Изобе.

Он предвидит, что в ближайшем будущем терагерцовые выпрямители можно будет использовать, например, для беспроводного питания имплантатов в теле пациента, не требуя хирургического вмешательства для замены батарей имплантата.

«Мы берем квантовый материал с некоторой асимметрией на атомном уровне, который теперь можно использовать, что открывает множество возможностей», — говорит Фу.

Это исследование частично финансировалось Исследовательской лабораторией армии США и Управлением исследований армии США через Институт солдатских нанотехнологий (ISN).

Понимание силы волн

Электромагнитная энергия используется для питания современного мира.

Без передовых электромагнитных технологий, сотовых телефонов и компьютеров, Bluetooth, систем GPS, спутниковых изображений и научного понимания нашей планеты и космоса, какими мы их знаем, было бы нежизнеспособно.

По мере того, как технологические приложения и устройства продолжают развиваться, взаимная зависимость от электромагнитных технологий и их более глубокое понимание становятся более важными, чем когда-либо.

Читайте дальше, чтобы узнать больше об электромагнитном мире, в котором мы живем.  

Что такое электромагнитная энергия?

Электромагнитная энергия — это лучистая энергия, которая распространяется волнами со скоростью света.

Его также можно описать как лучистую энергию, электромагнитное излучение, электромагнитные волны, свет или движение излучения.

Электромагнитное излучение может передавать тепло. Электромагнитные волны переносят тепло, энергию или световые волны через вакуум или среду из одной точки в другую. Это действие считается электромагнитной энергией.

Электромагнитное излучение было открыто Джеймсом Клерком Максвеллом, физиком 19-го века, чьи открытия сильно повлияли на то, что впоследствии стало известно как квантовая механика.

Когда дело доходит до того, как это работает, мы можем думать об электромагнитной энергии или излучении, как об обычной океанской волне.В этой метафоре излучение — это вода. Электромагнитные волны — это океанские волны, а электромагнитная энергия производится волнами, переносящими воду из середины океана на берег.

Эта энергия лучше всего иллюстрируется мощностью, необходимой для перемещения всей этой воды на большие расстояния. Реальная передача и генерация электромагнитной энергии немного сложнее.

Как работают электромагнитные волны?

Электромагнитная энергия состоит из изменяющихся магнитных и электрических полей, передающих электромагнитную энергию.Положительные заряды создают электрические поля или окружают заряженное пространство, излучающее наружу. Когда этой заряженной частицей манипулируют — например, перемещая ее вверх и вниз — вы изменяете электрическое поле.

Магнитные токи также создают магнитные поля. Изменения магнитного поля могут происходить, когда магнитный ток колеблется. Магнитные поля и электрические поля влияют друг на друга, и по мере того, как одна область колеблется и движется, другая тоже. Магнитные поля распространяются по горизонтальной плоскости, а электрические поля распространяются по вертикали, что позволяет выравнивать поляризованные электромагнитные поля.

Электрическое и магнитное распространение, или распространение волн, являются существенными компонентами электромагнитных волн. Изменение магнитного поля может вызвать изменение электрического поля, которое может вызвать изменение магнитного поля и так далее. В результате возникает цепная реакция, и вместе эти поля колеблются перпендикулярно друг другу и создают поперечные электромагнитные волны.

Волны распространяются в носителях, содержащих частицы излучения, называемые фотонами, которые не имеют массы и могут двигаться со скоростью света.

Поперечные волны, приводимые в действие магнитными полями и важными фотонами, движут волны электромагнитной энергии.

Набор потенциальных частот и длин волн, которые могут иметь электромагнитные волны, называется электромагнитным спектром.

Что такое электромагнитный спектр?

источник

Электромагнитный спектр представляет собой диапазон частот и длин волн электромагнитного излучения. Каждый тип волны и комбинации частот создает разные формы энергии.

Электромагнитная частота эквивалентна количеству гребней волны, достигающих определенной точки каждую секунду. О частоте также можно думать как о каждом пике волны, когда она катится и движется. Это измерение частоты, одного цикла волны в секунду, называется герцем (Гц).

Герц назван в честь немецкого физика Генриха Герца, который экспериментировал с радиоволнами, чтобы доказать, что скорость волн равна скорости света или излучения. Это было грандиозное открытие в области электромагнитной энергии.

Скорость волны равна длине волны, умноженной на частоту. По мере увеличения частоты длина волны уменьшается, и тем мощнее становится электромагнитная волна.

Энергия электромагнитной волны измеряется в электрон-вольтах. Эта единица представляет собой кинетическую энергию, необходимую для переноса электронов через вольтовый потенциал. Другими словами, энергия измеряется тем, сколько энергии необходимо для создания большего количества волн или пиков.

Чем меньше электромагнитная волна, тем больше может быть волн и тем больше энергии.Более длинная длина волны означает меньше энергии и, следовательно, более низкую частоту. Думайте об электромагнитном спектре как о прямой горизонтальной линии, которую вы читаете слева направо.

К левому краю спектра у вас более низкая частота или герц и большая длина волны. На правом конце у вас есть меньшие формы волны и более высокая частота или герц.

Когда вы путешествуете от одного конца спектра к другому, электромагнитная энергия становится более значимой, поскольку частота становится более интенсивной.

Электромагнитное излучение по всему спектру

В спектре семь типов электромагнитного излучения:  

Радиоволны

В начале электромагнитного спектра находятся низкочастотные радиоволны.

Низкочастотные радиоволны имеют самую большую длину волны и самую низкую энергию в спектре, а их размер варьируется от длины футбольного поля до размеров планеты Земля.

Радиоволны позволяют нам слушать радио на радиочастоте, как и ожидалось, но также используются в телескопах для наблюдения за космосом.

Микроволновые печи  

Несмотря на то, что микроволны похожи на радиоволны по частоте и размеру, они отличаются технологией, необходимой для доступа к ним, и технологиями, которые они могут предоставить. Различные виды микроволн характеризуются размером их длины волны.

Например, микроволны C-диапазона или среднего размера проходят сквозь облака, снег, дождь, пыль, дым или дымку и (обеспечивают) спутниковую связь, тогда как микроволны L-диапазона используются для работы систем глобального позиционирования (GPS).

Микроволны также обеспечивают работу телевизионных и мобильных телефонов и, конечно же, микроволновых печей.

Инфракрасные волны

Инфракрасные волны также известны как инфракрасный свет или излучение и могут быть обнаружены человеком по теплу.

Инфракрасная часть электромагнитного спектра содержит три подсектора: ближний инфракрасный, средний инфракрасный и дальний инфракрасный.

Дальний инфракрасный диапазон также называют тепловым инфракрасным, так как он лучше всего подходит для наблюдения за тепловой или тепловой энергией.Инфракрасная электромагнитная энергия используется для обнаружения и просмотра объектов в космосе, мониторинга и отслеживания температурных режимов Земли, просмотра объектов или тепловой энергии с помощью тепловидения и переключения каналов на телевизоре с помощью пульта дистанционного управления.

Видимый свет  

Традиционно ближе к середине электромагнитного спектра находится спектр видимого света. Это часть спектра, которую может видеть человеческий глаз.

Каждый тип электромагнитного излучения считается светом, но поскольку это единственный электромагнитный свет, воспринимаемый людьми, его называют видимым светом или видимым спектром.

Спектр видимого света дает нам радугу — каждый цвет радуги представляет собой длину волны разного размера. Например, красный цвет имеет самую большую длину волны, а фиолетовый — самую короткую.

Ультрафиолетовые (УФ) волны

Ультрафиолетовые волны, также известные как ультрафиолетовое излучение и ультрафиолетовое излучение, находятся на более высокочастотном конце спектра из-за их меньших длин волн и большей энергии.

Ультрафиолетовое излучение подразделяется на крайние уровни, включая ближний, средний, дальний и экстремальный ультрафиолетовый свет.Однако ультрафиолетовый свет может быть опасен для человека, если встречается в избытке из-за его более высокой частоты и более высокой энергии.

Ультрафиолетовый свет может нанести вред нашей коже, вызывая солнечные ожоги, разрушая наши клетки и даже воздействуя на нашу ДНК. Вот почему люди наносят солнцезащитный крем — чтобы защитить кожу от УФ-излучения, испускаемого солнцем.

Рентген

Предпоследнее обозначение электромагнитного спектра принадлежит рентгеновским лучам. Эти лучи имеют очень высокую энергетическую частоту и гораздо более короткую длину волны — они могут быть размером с атом.

Температура объекта определяет длину волны рентгеновского излучения, более горячие длины волн короче, и наоборот. Рентгеновские лучи известны своим использованием в медицинской визуализации, которая создает тени объектов на рентгеновских пленках после того, как рентгеновские волны проходят через тело человека.

Рентгеновские волны также опасны, когда человеческое тело подвергается слишком сильному облучению. Вот почему пациенты, получающие медицинские рентгеновские снимки, носят защитное снаряжение, а рентгенологи покидают комнату во время захвата изображения.

Гамма-лучи

В правом конце спектра, дальше всего от радиоволн, находятся гамма-лучи, которые имеют короткие длины волн, но самую высокую энергетическую частоту. В результате гамма-волны являются самыми мощными электромагнитными волнами.

Гамма-лучи генерируются взрывами сверхновых, черными дырами, ядерными реакциями, ядерным распадом и молнией. Эти всплески лучей настолько мощны, что, по данным НАСА, они могут генерировать больше энергии за 10 секунд, чем Солнце за всю свою жизнь.

Безопасна ли электромагнитная энергия?

источник

Опасности, связанные с электромагнитными волнами, заставляют задуматься о том, безопасна ли электромагнитная энергия.

Электромагнитное излучение зависит от различных типов излучения, которые меняются во всем электромагнитном спектре.

Ионизирующее излучение индуцируется самыми высокими частотами электромагнитной энергии, включая ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи.

Гамма-лучи представляют угрозу ионизированного излучения, вызванного ядерными реакциями и событиями. Кроме того, ядерный распад также может представлять опасность для здоровья при ионизированном излучении и производится либо гамма-лучами, либо рентгеновскими лучами. Воздействие ионизирующего излучения может вызвать канцерогенное повреждение ДНК, лучевую болезнь и даже смерть.

Однако неионизирующее излучение не содержит энергии, достаточной для того, чтобы создавать чрезвычайные радиационные проблемы или опасности. Это тип излучения, который излучают волны более низкой частоты (например, видимый свет, микроволны или радиоволны).

Неионизирующее излучение — это тип излучения, которому люди обычно подвергаются при использовании технологий, излучающих электромагнитные волны, таких как мобильные телефоны, телевизоры, компьютеры, линии электропередач или микроволновые печи.

Однако по мере продолжения глобального потепления низкочастотное излучение будет смещаться в сторону более тревожных уровней. Солнечный свет излучается на Землю, а затем отправляется обратно в космос посредством радиации. Но парниковые газы — тип загрязнения, вызванный выбросами, — могут задерживать это излучение в атмосфере Земли, создавая эффект парниковых газов и увековечивая глобальное потепление.

Почему важна электромагнитная энергия?

По мере того, как состояние окружающей среды на планете становится все более серьезной проблемой, растет и наша потребность в понимании электромагнитного излучения. Ученым необходимо будет продолжать свои исследования в области излучения и электромагнитной энергии, в то время как потребность в возобновляемой и устойчивой энергии растет.

Более того, постоянное технологическое развитие компьютеров, телефонов, энергоэффективных приборов и возобновляемых источников энергии останется приоритетом для постоянно растущей потребности в связи и информации во все более густонаселенном мире.

Обучение и использование электромагнитной энергии позволит нам продолжать пользоваться электромагнитными волнами, питающими наш мир.

Предоставлено вам justenergy.com

Все изображения предоставлены по лицензии Adobe Stock.
Избранное изображение:

Исследователи собирают энергию радиоволн для питания носимых устройств — ScienceDaily

От микроволновых печей до соединений Wi-Fi, радиоволны, которые пронизывают окружающую среду, являются не только сигналами потребляемой энергии, но и самими источниками энергии.Международная группа исследователей под руководством Хуанью «Ларри» Ченга, профессора развития карьеры Дороти Куиггл Департамента инженерных наук и механики штата Пенсильвания, разработала способ сбора энергии радиоволн для питания носимых устройств.

Исследователи недавно опубликовали свой метод в Materials Today Physics.

По словам Ченга, современные источники энергии для носимых устройств для мониторинга здоровья имеют свое место в питании сенсорных устройств, но каждый из них имеет свои недостатки.Солнечная энергия, например, может собирать энергию только при воздействии солнца. Трибоэлектрическое устройство с автономным питанием может собирать энергию только тогда, когда тело находится в движении.

«Мы не хотим заменять какие-либо из этих нынешних источников энергии», — сказал Ченг. «Мы пытаемся обеспечить дополнительную постоянную энергию».

Исследователи разработали растяжимую широкополосную дипольную антенную систему, способную передавать по беспроводной связи данные, собранные с датчиков мониторинга состояния здоровья. Система состоит из двух растяжимых металлических антенн, встроенных в проводящий графеновый материал с металлическим покрытием.Широкополосная конструкция системы позволяет ей сохранять свои частотные функции даже при растяжении, изгибе и скручивании. Затем эта система подключается к растяжимой выпрямительной цепи, создавая выпрямленную антенну или «ректенну», способную преобразовывать энергию электромагнитных волн в электричество. Это электричество, которое можно использовать для питания беспроводных устройств или для зарядки накопителей энергии, таких как аккумуляторы и суперконденсаторы.

Эта ректенна может преобразовывать радио или электромагнитные волны из окружающей среды в энергию для питания сенсорных модулей устройства, которые отслеживают температуру, гидратацию и пульсовый уровень кислорода.По сравнению с другими источниками производится меньше энергии, но система может генерировать энергию непрерывно, что, по словам Ченга, является значительным преимуществом.

«Мы используем энергию, которая уже окружает нас — радиоволны всегда и везде», — сказал Ченг. «Если мы не используем эту энергию, находящуюся в окружающей среде, она просто тратится впустую. Мы можем собрать эту энергию и преобразовать ее в энергию».

Ченг сказал, что эта технология является строительным блоком для него и его команды.Объединение его с их новым устройством беспроводной передачи данных обеспечит важнейший компонент, который будет работать с существующими сенсорными модулями команды.

«Следующими нашими шагами будут изучение миниатюрных версий этих схем и работа над расширением возможностей выпрямителя», — сказал Ченг. «Это платформа, на которой мы можем легко комбинировать и применять эту технологию с другими модулями, которые мы создали в прошлом. Она легко расширяется или адаптируется для других приложений, и мы планируем изучить эти возможности.»

Источник истории:

Материалы предоставлены Penn State . Оригинал написан Тессой М. Пик. Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

Rectennas: преобразование радиоволн в электричество — Электротехника и вычислительная техника — Инженерный колледж

28 мая 2019 г.

Нас постоянно окружает энергия в виде электромагнитных волн.Было бы неплохо, если бы мы могли этим воспользоваться? В недавно опубликованной статье в журнале Nature будущий преподаватель Университета Карнеги-Меллона доктор Сюй Чжан и соавторы описывают новое устройство, которое может заряжать электронику с помощью энергии радиочастотных волн, включая сигналы Wi-Fi. .

Беспроводная передача энергии, задуманная Николой Теслой, стала возможной в 1960-х годах с изобретением ректенны. Сочетание слов «выпрямление» и «антенна», ректенны — это приемные антенны, которые преобразуют энергию электромагнитных волн в электричество.Одним из известных примеров являются пассивные RFID-карты: когда они находятся в пределах досягаемости, метки могут использовать энергию радиоволн, излучаемых считывателем, для передачи своих идентифицирующих данных.

Сигналы Wi-Fi

также состоят из радиоволн. Приемные антенны могут без проводов собирать электромагнитное излучение в сетях Wi-Fi (2,4 ГГц и 5,9 ГГц), глобального спутникового позиционирования (1,58 ГГц и 1,22 ГГц), сотовой связи четвертого поколения (4G) (1,7 ГГц и 1,9 ГГц) и Bluetooth. (2,4 ГГц) и преобразуют энергию этих электромагнитных волн в переменный ток (AC).Затем электричество переменного тока направляется в выпрямитель, который преобразует его в электричество постоянного тока (DC).

Раньше для устройств, способных эффективно собирать радиочастотную энергию, требовались жесткие материалы. Устройство, над которым работают эти исследователи, является новым, поскольку оно имеет гибкую двумерную ректенну, превосходящую все предыдущие гибкие ректенны.

Они делают это с помощью выпрямителя, изготовленного из слоя дисульфида молибдена (MoS2) толщиной всего 3 атома. При такой толщине MoS2 ведет себя иначе, чем объемный материал — атомы перестраиваются под воздействием определенных химических веществ.Это означает, что материал может вести себя как переключатель, переходя от полупроводниковой структуры к металлической. MoS2 создает так называемый диод Шоттки, соединение полупроводника и металла. Диод, описанный в их статье, может преобразовывать сигналы на более высоких частотах, потому что его структура снижает дополнительную энергию, хранящуюся в некоторых материалах, используемых в электронике, известную как паразитная емкость. Дизайн исследователей уменьшает паразитную емкость на порядок по сравнению с современными гибкими выпрямителями, что означает, что они могут улавливать ранее неуловимые высокочастотные радиоволны диапазона Wi-Fi.

«Такая конструкция позволила создать полностью гибкое устройство, достаточно быстрое, чтобы охватить большинство диапазонов радиочастот, используемых нашей повседневной электроникой, включая Wi-Fi, Bluetooth, сотовую связь LTE и многие другие», — говорит первый автор Сюй Чжан. Доктор Чжан, который в настоящее время является научным сотрудником Массачусетского технологического института, присоединится к нам в Карнеги-Меллон в качестве доцента кафедры электротехники и вычислительной техники в сентябре. В документе перечислены 15 других соавторов из Массачусетского технологического института, Мадридского технического университета, Армейской исследовательской лаборатории, Мадридского университета Карла III, Бостонского университета и Университета Южной Калифорнии.

Авторы описывают свою конструкцию как строительный блок: что-то, что можно интегрировать и обеспечить питанием для быстро развивающегося мира гибких электронных систем. Листы MoS2 для выпрямителей можно производить недорого, что позволяет исследователям увидеть приложение «умной кожи»: распределенную сеть датчиков, покрывающих и предоставляющих информацию о наших зданиях и инфраструктуре.

Другое потенциальное применение этой технологии — медицинские устройства.Соавтор Хесус Грахаль из Технического университета Мадрида говорит, что они могли бы позволить имплантируемым медицинским устройствам передавать данные о здоровье пациентов, поскольку нас постоянно окружают радиоволны в виде сигналов Wi-Fi, Bluetooth и сотовой связи. Это дает преимущество по сравнению с современными технологиями литий-ионных аккумуляторов, которые могут быть фатальными, если они протекают, и имеют гораздо более ограниченную емкость из-за нехватки места и химических проблем.

В настоящее время устройство может производить 40 микроватт при типичном уровне мощности Wi-Fi, что достаточно для питания светодиода или кремниевого чипа.Он еще не производит достаточно энергии для зарядки умных часов, но авторы планируют продолжить свою работу по созданию массивов этих устройств, которые могут масштабироваться для обеспечения количества энергии, необходимого для этих устройств, создавая мир самоподдерживающейся электроники. .

Оригинальный постер истории здесь.

Источник изображения: Ребекка Энрайт

Сбор мощности

ВЧ: обзор методологий проектирования и приложений | Micro and Nano Systems Letters

  • Brown WC (1996) История беспроводной передачи энергии.Солнечная энергия 56:3–21

    Статья Google ученый

  • Brown WC (1969) Эксперименты с использованием микроволнового луча для питания и позиционирования вертолета. IEEE Trans Aerosp Electron Syst AES-5:692–702

    Статья Google ученый

  • Рагунатан В., Кансал А., Хсу Дж., Фридман Дж., Сривастава М. (2005) Вопросы проектирования беспроводных встроенных систем сбора солнечной энергии.В: Материалы 4-го международного симпозиума по обработке информации в сенсорных сетях, стр. 64

  • Брунелли Д., Бенини Л., Мозер С., Тиле Л. (2008) Эффективный сборщик солнечной энергии для беспроводных сенсорных узлов. В: Дизайн, автоматизация и испытания в Европе, 2008 г., стр. 104–109

  • Абдин З., Алим М.А., Саидур Р., Ислам М.Р., Рашми В., Мехилеф С. и др. (2013) Сбор солнечной энергии с применением нанотехнологий. Renew Sustain Energy Rev 26:837–852

    Статья Google ученый

  • Ackermann T, Söder L (2000) Технология ветроэнергетики и текущее состояние: обзор.Renew Sustain Energy Rev 4:315–374

    Статья Google ученый

  • GM Joselin Herbert, S. Iniyan, E. Sreevalsan, and S. Rajapandian, «Обзор технологий ветроэнергетики», Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 11, стр. 1117-1145, 8//2007

  • Шахин А.Д. (2004) Прогресс и последние тенденции в ветроэнергетике. Prog Energy Combust Sci 30:501–543

    Статья Google ученый

  • Xin L, Shuang-Hua Y (2010) Сбор тепловой энергии для WSN.В: Международная конференция IEEE 2010 г. по системному человеку и кибернетике (SMC), стр. 3045–3052

  • Далола С., Феррари В., Мариоли Д. (2010) Пироэлектрический эффект в толстых пленках PZT для сбора тепловой энергии в маломощных датчиках. Procedia Eng 5:685–688

    Статья Google ученый

  • Куадрас А., Гасулла М., Феррари В. (2010) Сбор тепловой энергии с помощью пироэлектричества. Приводы Sens A Phys 158:132–139

    Статья Google ученый

  • Cao X, Chiang WJ, King YC, Lee YK (2007) Схема сбора электромагнитной энергии с прямой и обратной связью повышающий преобразователь DC-DC PWM для системы генератора энергии вибрации.IEEE Trans Power Electron 22:679–685

    Статья Google ученый

  • Биби С.П., Тора Р.Н., Тюдор М.Дж., Глинн-Джонс П., Доннелл Т.О., Саха К.Р. и др. (2007) Микроэлектромагнитный генератор для сбора энергии вибрации. J Micromech Microeng 17:1257

    Артикул Google ученый

  • Yang B, Lee C, Xiang W, Xie J, He JH, Kotlanka RK, Low SP, Feng H (2009) Сбор электромагнитной энергии из вибраций разных частот.J Micromech Microeng 19:035001

    Артикул Google ученый

  • Биби С.П., Тюдор М.Дж., Уайт Н.М. (2006) Источники вибрации, собирающие энергию, для приложений микросистем. Meas Sci Technol 17:R175

    Артикул Google ученый

  • Challa VR, Prasad M, Shi Y, Fisher FT (2008) Устройство сбора энергии вибрации с двунаправленной настройкой резонансной частоты.Smart Mater Struct 17:015035

    Артикул Google ученый

  • Khalig A, Zeng P, Zheng C (2010) Сбор кинетической энергии с использованием пьезоэлектрических и электромагнитных технологий — современное состояние техники. IEEE Trans Ind Electron 57:850–860

    Статья Google ученый

  • Vullers RJM, van Schaijk R, Doms I, Van Hoof C, Mertens R (2009) Сбор энергии микроэнергии.Solid-State Electron 53:684–693

    Статья Google ученый

  • Ахтар Ф., Рехмани М.Х. (2015) Пополнение запасов энергии с использованием возобновляемых и традиционных источников энергии для устойчивых беспроводных сенсорных сетей: обзор. Renew Sustain Energy Rev 45:769–784

    Статья Google ученый

  • Yaghjian A (1986) Обзор измерений антенн ближнего поля. IEEE Trans Antennas Propag 34:30–45

    Статья Google ученый

  • Chen G, Ghaed H, Haque RU, Wieckowski M, Kim Y, Kim G и др. (2011) Энергоавтономный беспроводной монитор внутриглазного давления объемом кубический миллиметр.В: Международная конференция IEEE по твердотельным схемам 2011 г., 2011 г., стр. 310–312

  • Harlow JH (2004) Разработка силовых трансформаторов. CRC Press, Бока-Ратон

    Google ученый

  • Lee TH (2004) Проектирование КМОП радиочастотных интегральных схем. Сообщество Eng 2:47

    Google ученый

  • Song C, Huang Y, Zhou J, Zhang J, Yuan S, Carter P (2015) Высокоэффективная широкополосная ректенна для сбора окружающей беспроводной энергии.IEEE Trans Antennas Propag 63: 3486–3495

    MathSciNet Статья Google ученый

  • Моменроодаки П., Фернандес Р.Д., Попови З. (2016) Компактные ректенны с высоким коэффициентом усиления на воздушной подложке для сбора малой радиочастотной мощности. В: 10-я Европейская конференция по антеннам и распространению (EuCAP), 2016 г., стр. 1–4

  • Lu P, Yang XS, Li JL, Wang BZ (2016) Поляризационная реконфигурируемая широкополосная ректенна с настраиваемой согласующей сетью для передачи микроволновой мощности.IEEE Trans Antennas Propag 64:1136–1141

    Статья Google ученый

  • Sun H (2016) Усовершенствованная ректенна, использующая выпрямитель с дифференциальным питанием для беспроводной передачи энергии. Антенны IEEE Wirel Propag Lett 15:32–35

    Google ученый

  • Sun H, Geyi W (2016) Новая ректенна с возможностью приема со всеми поляризациями для беспроводной передачи энергии. Антенны IEEE Wirel Propag Lett 15:814–817

    Статья Google ученый

  • Zhu P, Ma Z, Vandenbosch GAE, Gielen G (2015) Антенна подавления гармоник 160 ГГц с КМОП-выпрямителем для беспроводной передачи энергии миллиметрового диапазона.В: 9-я Европейская конференция по антеннам и распространению (EuCAP, 2015 г.), стр. 1–5

  • Чжан Дж., Ву З.П., Лю К.Г., Чжан Б.Х., Чжан Б. (2015) Двухсторонняя конструкция ректенны для сбора радиочастотной энергии. В: Международный симпозиум по беспроводной связи IEEE 2015 г. (IWS), стр. 1–4

  • Хосейн М.К., Кузани А.З., Самад М.Ф., Тай С.Дж. (2015) Миниатюрная ректенна, собирающая энергию, для работы устройства глубокой стимуляции головного мозга, устанавливаемого на голову. IEEE Access 3:223–234

    Статья Google ученый

  • Lu P, Yang XS, Li JL, Wang BZ (2015) Компактная ректенна с реконфигурируемой частотой для 5.Беспроводная передача энергии на частотах 2 и 5,8 ГГц. IEEE Trans Power Electron 30:6006–6010

    Статья Google ученый

  • Мацунага Т., Нишияма Э., Тойода И. (2015) Многослойная дифференциальная ректенна 5,8 ГГц, подходящая для крупномасштабных массивов ректенн с подключением постоянного тока. IEEE Trans Antennas Propag 63: 5944–5949

    MathSciNet Статья Google ученый

  • Чоу Дж. Х., Линь Д. Б., Венг К. Л., Ли Х. Дж. (2014) Всеполяризованная принимающая ректенна со свойством подавления гармоник для беспроводной передачи энергии.IEEE Trans Antennas Propag 62:5242–5249

    Статья Google ученый

  • Sun H, Guo Y, He M, Zhong Z (2013) Двухдиапазонная ректенна, использующая широкополосную антенную решетку Yagi для сбора внешней радиочастотной мощности. Антенны IEEE Wirel Propag Lett 12:918–921

    Статья Google ученый

  • Ниотаки К., Ким С., Чон С., Колладо А., Георгиадис А., Тенцерис М.М. (2013) Компактная двухдиапазонная ректенна с двухдиапазонной складной дипольной антенной с щелевой загрузкой.Антенны IEEE Wirel Propag Lett 12:1634–1637

    Статья Google ученый

  • Hucheng S, Yong-Xin G, Miao H, Zheng Z (2012) Проект высокоэффективной ректенны 2,45 ГГц для сбора энергии с низким энергопотреблением. Антенны IEEE Wirel Propag Lett 11:929–932

    Статья Google ученый

  • Olgun U, Chen CC, Volakis JL (2010) Беспроводной сбор энергии с планарными ректеннами для 2.RFID 45 ГГц. В: Международный симпозиум URSI 2010 г. по электромагнитной теории (EMTS), стр. 329–331

  • Ren YJ, Farooqui MF, Chang K (2007) Компактная двухчастотная выпрямляющая антенна с подавлением гармоник высокого порядка. IEEE Trans Antennas Propag 55:2110–2113

    Статья Google ученый

  • Olgun U, Chen CC, Volakis JL (2011) Исследование конфигураций массива ректенн для улучшенного сбора радиочастотной мощности.Антенны IEEE Wirel Propag Lett 10:262–265

    Статья Google ученый

  • Shen S, Murch RD (2016) Согласование импеданса для компактных систем с несколькими антеннами в случайных радиочастотных полях. IEEE Trans Antennas Propag 64: 820–825

    MathSciNet Статья Google ученый

  • Etor D, Dodd LE, Wood D, Balocco C (2015) Согласование импеданса на ТГц частотах: оптимизация передачи мощности в ректеннах.В: 40-я международная конференция по инфракрасным, миллиметровым и терагерцовым волнам (IRMMW-THz), 2015 г., стр. 1–2

  • Hoarau C, Corrao N, Arnould JD, Ferrari P, Xavier P (2008) Полная методология проектирования и измерений для настраиваемой сети согласования РЧ импеданса. IEEE Trans Microw Theory Tech 56:2620–2627

    Статья Google ученый

  • Marrocco G (2008 г.) Искусство проектирования антенн UHF RFID: методы согласования импеданса и уменьшения размеров.IEEE Antennas Propag Mag 50:66–79

    Статья Google ученый

  • Минго Д.Д., Вальдовинос А., Креспо А., Наварро Д., Гарсия П. (2004) Проект сети настройки импеданса с электронным управлением РЧ и ее применение в системе автоматического согласования входного импеданса антенны. IEEE Trans Microw Theory Tech 52:489–497

    Статья Google ученый

  • Hatay M (1980) Эмпирическая формула для потерь распространения в наземных подвижных службах радиосвязи.IEEE Trans Veh Technol 29:317–325

    Статья Google ученый

  • Radiom S, Vandenbosch G, Gielen G (2008) Влияние типа антенны и масштабирования на поглощаемое напряжение в пассивных RFID-метках. В: Международный семинар по антенным технологиям: маленькие антенны и новые метаматериалы, 2008 г. iWAT 2008, стр. 442–445

  • Госсет Г., Фландр Д. (2011) Полностью автоматизированная и портативная методология проектирования для оптимального размера энергоэффективной КМОП. выпрямители напряжения.IEEE J Emerg Sel Top Circuits Syst 1:141–149

    Статья Google ученый

  • Facen A, Boni A (2007) Извлекатель мощности CMOS для меток UHF RFID. Electron Lett 43:1424

    Статья Google ученый

  • Котани К., Сасаки А., Ито Т. (2009 г.) Высокоэффективный КМОП-выпрямитель с дифференциальным приводом для UHF RFID. IEEE J Твердотельные схемы 44:3011–3018

    Статья Google ученый

  • Чоухан С.С., Нурми М., Халонен К. (2016) Схема умножителя напряжения с повышенной эффективностью для сбора радиочастотной энергии.Microelectron J 48:95–102

    Артикул Google ученый

  • Wang W, Xiangjie C, Wong H (2015) Анализ и проектирование двухполупериодного выпрямительного зарядного насоса CMOS для приложений сбора радиочастотной энергии. В: Конференция IEEE Region 10, 2015 г., TENCON 2015, стр. 1–4

  • Родригес А.Н., Круз ФРГ, Рамос Р.З. (2015) Проект преобразователя переменного тока в постоянный с частотой 900 МГц с использованием собственного устройства Cmos технологии TSMC 0,18 мкм для сбора радиочастотной энергии. заявление.Универс Дж Электр Электрон Eng 3:7

    Google ученый

  • Hwang YS, Lei CC, Yang YW, Chen JJ, Yu CC (2014) Низковольтный выпрямитель RF-DC с низкими потерями управления 13,56 МГц, использующий метод уменьшения обратных потерь. IEEE Trans Power Electron 29:6544–6554

    Статья Google ученый

  • Хаддад П.А., Госсет Г., Раскин Д.П., Фландр Д. (2014) Эффективное выпрямление сверхнизкой мощности на 13.56 МГц для тока нагрузки 10 мкА. В: 2014 SOI-3D-subthreshold microelectronics technology unified Conference (S3S), стр. 1–2

  • Hameed Z, Moez K (2014) Hybird преобразователь мощности RF-DC с прямой и обратной пороговой компенсацией для сбора радиочастотной энергии. IEEE J Eng Sel Top Circuits Syst 4:9

    Google ученый

  • Karolak D, Taris T, Deval Y, Béguéret JB et al (2012) Сравнение конструкций маломощных выпрямителей, предназначенных для сбора радиочастотной энергии.В: 19-я международная конференция IEEE по электронике, схемам и системам (ICECS), 2012 г., стр. 524–527

  • Kadupitiya JCS, Abeythunga TN, Ranathunga PDMT, De Silva DS (2015) Оптимизация конструкции сборщика радиочастотной энергии для приложений с низким энергопотреблением. интегрирование многокаскадного удвоителя напряжения на патч-антенне. В: 8-я международная конференция по вычислениям Ubi-Media (UMEDIA), 2015 г., стр. 335–338

  • Hemour S, Zhao Y, Lorenz CHP, Houssameddine D, Gui Y, Hu CM et al (2014) -эффективный сбор радиочастотной и микроволновой энергии.IEEE Trans Microw Theory Tech 62:965–976

    Статья Google ученый

  • Lorenz CHP, Hemour S, Wu K (2016) Физический механизм и теоретическая основа сбора внешней РЧ-мощности с использованием диодов с нулевым смещением. IEEE Trans Microw Theory Tech 64:2146–2158

    Статья Google ученый

  • Sun H, Xu G (2015) Дифференциальный выпрямитель для улучшенного сбора ВЧ-мощности.В: Серия международных микроволновых семинаров IEEE MTT-S 2015 г. по передовым материалам и процессам для ВЧ и ТГц приложений (IMWS-AMP), стр. 1–3

  • Папотто Г., Каррара Ф., Палмизано Г. (2011) A 90 нм КМОП-компенсатор ВЧ-энергии с пороговой компенсацией. IEEE J Solid-State Circuits 46:1985–1997

    Статья Google ученый

  • Лингли А.Р., Али М., Ляо Ю., Миржалили Р., Клоннер М., Сопанен М. и др. (2011) Однопиксельный беспроводной дисплей для контактных линз.J Micromech Microeng 21:125014

    Артикул Google ученый

  • Zhang Y, Zhang F, Shakhsheer Y, Silver JD, Klinefelter A, Nagaraju M et al (2013) Безбатарейный 19-ваттный узел датчика тела для сбора энергии в диапазоне MICS/ISM для приложений ExG. IEEE J Твердотельные схемы 48:199–213

    Статья Google ученый

  • Хеллепутте Н.В., Конийненбург М., Петтин Дж., Джи Д.В., Ким Х., Моргадо А. и др. (2015) Многосенсорная биомедицинская однокристальная система мощностью 345 мкВт с биоимпедансом, 3-канальной ЭКГ, подавлением артефактов движения и интегрированной DSP.IEEE J Твердотельные схемы 50:230–244

    Статья Google ученый

  • Kim H, Kim S, Helleputte NV, Artes A, Konijnenburg M, Huisken J et al (2014) Конфигурируемый и маломощный SoC со смешанным сигналом для портативных приложений мониторинга ЭКГ. IEEE Trans Biomed Circuits Syst 8:257–267

    Статья Google ученый

  • Yan L, Bae J, Lee S, Roh T, Song K, Yoo HJ (2011) A 3.25-электродный реконфигурированный датчик мощностью 9 мВт для носимой системы кардиомониторинга. IEEE J Твердотельные схемы 46:353–364

    Статья Google ученый

  • Верма Н., Шоеб А., Бохоркез Дж., Доусон Дж., Гуттаг Дж., Чандракасан А.П. (2010) Микромощная однокристальная система для сбора ЭЭГ со встроенным процессором извлечения признаков для системы обнаружения хронических припадков. IEEE J Solid-State Circuits 45(4):804–816

    Статья Google ученый

  • Chen G, Fojtik M, Kim D, Fick D, Park J, Seok M et al.(2010) Практически вечная сенсорная система миллиметрового масштаба со сложенными друг на друга батареями и солнечными элементами. В: Международная конференция IEEE по твердотельным схемам, 2010 г. — (ISSCC), стр. 288–289

  • . Рай С., Холлеман Дж., Панди Дж. Н., Чжан Ф., Отис Б. (2009) передатчик MICS/ISM FSK с умножением частоты. В: Международная конференция IEEE по твердотельным схемам, 2009 г. — сборник технических документов, стр. 212–213

  • Нисимото Х., Кавахара Ю., Асами Т. (2010) Прототип реализации сетей беспроводных датчиков, собирающих радиочастотную энергию окружающей среды.В: Датчики, IEEE, 2010 г., стр. 1282–1287

  • Шинохара Н., Кавасаки С. (2009) Последние технологии беспроводной передачи энергии в Японии для космических солнечных электростанций/спутников. В: 2009 IEEE Radio and Wireless Symposium, стр. 13–15

  • Kim TI, McCall JG, Jung YH, Huang X, Siuda ER, Li Y et al (2013) Инъекционная оптоэлектроника клеточного масштаба с приложениями для беспроводной оптогенетики . Science 340:211–216

    Статья Google ученый

  • Cheng HW, Yu TC, Huang HY, Ting SH, Huang TH, Chiou JC и др. (2014) Дизайн миниатюрной антенны и схемы сбора энергии на энуклеированных свиных глазах.Антенны IEEE Wirel Propag Lett 13:1156–1159

    Статья Google ученый

  • Чоу Э.Ю., Ян С.Л., Оуян Ю., Хлебовски А.Л., Иразоки П.П., Чаппелл В.Дж. (2011) Беспроводное питание и исследование распространения РЧ через ткань глаза для разработки имплантируемых датчиков. IEEE Trans Antennas Propag 59:2379–2387

    Статья Google ученый

  • Йик Дж., Мукерджи Б., Госал Д. (2008 г.) Обзор сети беспроводных датчиков.Comput Netw 52:2292–2330

    Статья Google ученый

  • Correia R, Carvalho NB, Kawasaki S (2016) Непрерывная подача питания для сетей беспроводных датчиков с пассивным обратным рассеянием. IEEE Trans Microw Theory Tech 64:3723–3731

    Статья Google ученый

  • Правин М.П., ​​Мехта Н.Б. (2016) Компромиссы в аналоговом восприятии и связи в сетях беспроводных датчиков сбора радиочастотной энергии.В: Международная конференция IEEE по коммуникациям (ICC), 2016 г., стр. 1–6

  • Колладо А., Георгиадис А. (2014) Оптимальные формы сигналов для эффективной беспроводной передачи энергии. IEEE Microwave Wirel Compon Lett 24:354–356

    Статья Google ученый

  • Чжао И, Чен Б, Чжан Р (2013) Оптимальное распределение мощности для системы оценки сбора энергии. В: Международная конференция IEEE 2013 г. по акустике, обработке речи и сигналов, стр. 4549–4553

  • Ruisi G, Hong P, Zhibin L, Na G, Jinhui W, Xiaowei C (2016) Радиочастотный безбатарейный беспроводной датчик сеть в структурном мониторинге.В: Международная конференция IEEE по электроинформационным технологиям (EIT), 2016 г., стр. 0547–0552

  • Seah WKG, Eu ZA, Tan HP (2009) Беспроводные сенсорные сети, работающие за счет сбора энергии окружающей среды (WSN-HEAP) — обзор и проблемы. . В: 2009 г. 1-я международная конференция по беспроводной связи, автомобильным технологиям, теории информации, технологиям аэрокосмических и электронных систем, стр. 1–5

  • Джаббар Х., Сонг Ю.С., Чон Т.Т. (2010) Система сбора радиочастотной энергии и схемы для зарядки мобильные устройства.IEEE Trans Consum Electron 56:247–253

    Статья Google ученый

  • Che W, Chen W, Meng D, Wang X, Tan X, Yan N и др. (2010) Блок управления питанием для пассивной RFID-метки с батарейным питанием. Electron Lett 46:589–590

    Статья Google ученый

  • Lee JH, Jung WJ, Jung JW, Jang JE, Park JS (2015) Подходящее РЧ-зарядное устройство для беспроводной системы сбора РЧ-мощности.Microw Opt Technol Lett 57:1622–1625

    Статья Google ученый

  • Гудан К., Чемишкиан С., Халл Дж. Дж., Томас С. Дж., Энсворт Дж., Рейнольдс М. С. (2014) Система сбора внешней РЧ-энергии на частоте 2,4 ГГц с минимальной входной мощностью −20 дБм и аккумулятором NiMH. В: Конференция по технологиям и приложениям RFID (RFID-TA), 2014 IEEE, стр. 7–12

  • Нагараджу М.Б., Лингли А.Р., Шридхаран С., Гу Дж., Руби Р., Отис Б.П. (2015) A 0.8 мм 3 Одночиповый беспроводной датчик давления ± 0,68 фунта на кв. дюйм для приложений TPMS. В: Международная конференция IEEE по твердотельным схемам, 2015 г. — (ISSCC), дайджест технических статей, стр. 1–3

  • Гонг С., Швалб В., Ван И., Чен И., Тан И., Си Дж. и др. (2014) А. носимый и высокочувствительный датчик давления с ультратонкими золотыми нанопроволоками. Нац коммуна 5:3132

    Google ученый

  • Souri K, Chae Y, Makinwa KAA (2013) КМОП-датчик температуры с погрешностью ±0, откалиброванной по напряжению.15 °C (3σ) от −55 °C до 125 °C. IEEE J Твердотельные схемы 48:292–301

    Статья Google ученый

  • Aita AL, Pertijs MAP, Makinwa KAA, Huijsing JH, Meijer GCM (2013) Маломощный CMOS интеллектуальный датчик температуры с погрешностью периодической калибровки ±0,25°C (±3σ) от −70°C до 130°C °С. IEEE Sens J 13:1840–1848

    Статья Google ученый

  • Jeong S, Foo Z, Lee Y, Sim JY, Blaauw D, Sylvester D (2014) Полностью интегрированный датчик температуры CMOS мощностью 71 нВт для узлов беспроводных датчиков с низким энергопотреблением.IEEE J Твердотельные схемы 49:1682–1693

    Статья Google ученый

  • Мун С.Е., Ли Х.К., Чой Н.Дж., Канг Х.Т., Ли Дж., Ан С.Д. и др. (2015) Микродатчик газа C2H5OH с низким энергопотреблением на основе микронагревателя и технологии струйной печати. Приводы Sens B Chem 217:146–150

    Артикул Google ученый

  • Zhou Q, Sussman A, Chang J, Dong J, Zettl A, Mickelson W (2015) Быстродействующие интегрированные микронагреватели MEMS для обнаружения газов сверхнизкой мощности.Приводы Sens A Phys 223:67–75

    Статья Google ученый

  • Erol-Kantarci M, Mouftah HT (2012) Размещение РЧ-передатчиков мощности в беспроводных сенсорных сетях с учетом задач. В: Симпозиум IEEE по компьютерам и коммуникациям 2012 г. (ISCC), стр. 000012–000017

  • He S, Chen J, Jiang F, Yau DKY, Xing G, Sun Y (2013) Обеспечение энергией в беспроводных перезаряжаемых сенсорных сетях. IEEE Trans Mob Comput 12:1931–1942

    Статья Google ученый

  • Li Y, Fu L, Chen M, Chi K, Zhu YH (2015) Размещение зарядного устройства на основе радиочастот для гарантии рабочего цикла в сенсорных сетях без батарей.IEEE Commun Lett 19:1802–1805

    Статья Google ученый

  • Шао С., Гудан К., Халл Дж. Дж. (2016) Фазированная антенная решетка с механическим управлением лучом для приложений по сбору энергии [Уголок применения антенн]. IEEE Antennas Propag Mag 58:58–64

    Статья Google ученый

  • Гудан К., Шао С., Халл Дж.Дж., Энсворт Дж., Рейнольдс М.С. (2015) Сверхмаломощная система сбора и хранения радиочастотной энергии 2,4 ГГц с чувствительностью −25 дБм.В: Международная конференция IEEE по RFID (RFID), 2015 г., стр. 40–46

  • Радиочастотное (РЧ) излучение

    Излучение – это испускание (выброс) энергии из любого источника. Рентгеновские лучи являются примером радиации, но таковы же свет, исходящий от солнца, и тепло, которое постоянно исходит от наших тел.

    Говоря о радиации и раке, многие люди думают об определенных видах радиации, таких как рентгеновские лучи или излучение ядерных реакторов.Но есть и другие виды излучения, которые действуют иначе.

    Излучение существует в спектре от очень низкоэнергетического (низкочастотного) излучения до очень высокоэнергетического (высокочастотного) излучения. Его иногда называют электромагнитным спектром .

    На приведенном ниже рисунке электромагнитного спектра показаны все возможные частоты электромагнитной энергии. Он варьируется от очень низких частот (например, от линий электропередач) до чрезвычайно высоких частот (рентгеновские лучи и гамма-лучи) и включает как неионизирующее, так и ионизирующее излучение.

    Примеры высокоэнергетического излучения включают рентгеновское и гамма-излучение. Эти лучи, а также некоторое УФ-излучение с более высокой энергией являются формами ионизирующего излучения , что означает, что они обладают достаточной энергией, чтобы удалить электрон из (ионизировать) атом. Это может повредить ДНК (гены) внутри клеток, что иногда может привести к раку.

    Изображение предоставлено: Национальный институт рака

    Что такое радиочастотное (РЧ) излучение?

    Радиочастотное (РЧ) излучение, которое включает радиоволны и микроволны, находится в низкоэнергетической части электромагнитного спектра.Это тип неионизирующего излучения . Неионизирующее излучение не имеет достаточно энергии, чтобы удалить электроны из атома. Видимый свет — это еще один тип неионизирующего излучения. Радиочастотное излучение имеет меньшую энергию, чем некоторые другие типы неионизирующего излучения, такие как видимый свет и инфракрасное излучение, но оно имеет более высокую энергию, чем излучение крайне низкой частоты (ELF).

    Если радиочастотное излучение поглощается телом в достаточно больших количествах, оно может выделять тепло. Это может привести к ожогам и повреждению тканей тела.Хотя считается, что РЧ-излучение не вызывает рак, повреждая ДНК в клетках, как ионизирующее излучение, существуют опасения, что в некоторых обстоятельствах некоторые формы неионизирующего излучения могут по-прежнему оказывать другие эффекты на клетки, которые каким-то образом могут привести к раку. .

    Как люди подвергаются воздействию радиочастотного излучения?

    Люди могут подвергаться радиочастотному излучению как естественных, так и искусственных источников.

    Природные источники включают:

    • Космос и солнце
    • Небо – включая удары молнии
    • Сама земля — большая часть излучения Земли является инфракрасным, но небольшая его часть приходится на радиочастотное излучение
    • .

    Техногенные источники радиочастотного излучения включают:

    • Передача радио- и телевизионных сигналов
    • Передача сигналов от беспроводных телефонов, сотовых телефонов и вышек сотовой связи, спутниковых телефонов и двусторонних радиостанций
    • Радар
    • WiFi, Bluetooth ® устройства и интеллектуальные счетчики
    • Нагревание тканей тела для их разрушения при медицинских процедурах
    • «Сварка» деталей из поливинилхлорида (ПВХ) на определенных машинах
    • Сканеры миллиметрового диапазона (тип сканера всего тела, используемый для проверки безопасности)

    Некоторые люди могут подвергаться значительному радиочастотному облучению на работе.Сюда входят люди, которые обслуживают антенные вышки, передающие сигналы связи, и люди, которые используют или обслуживают радиолокационное оборудование.

    Большинство людей ежедневно подвергается гораздо более низким уровням техногенного радиочастотного излучения из-за присутствия радиочастотных сигналов повсюду вокруг нас. Они исходят от радио- и телевизионных передач, устройств Wi-Fi и Bluetooth, мобильных телефонов (и вышек сотовой связи) и других источников.

    Некоторые распространенные способы использования радиочастотного излучения

    Микроволновые печи

    Микроволновые печи работают за счет использования очень высоких уровней радиочастотного излучения определенной частоты (в микроволновом спектре) для разогрева пищи.Когда пища поглощает микроволны, это заставляет молекулы воды в пище вибрировать, что приводит к выделению тепла. Микроволны не используют рентгеновские или гамма-лучи и не делают пищу радиоактивной.

    Микроволновые печи

    сконструированы таким образом, что микроволны находятся внутри самой печи. Духовка излучает микроволны только тогда, когда дверца закрыта, а духовка включена. Когда микроволновые печи используются в соответствии с инструкциями, нет никаких доказательств того, что они представляют опасность для здоровья людей. В США федеральные стандарты ограничивают количество радиочастотного излучения, которое может просачиваться из микроволновой печи, до уровня, намного ниже того, который может причинить вред людям.Однако печи, которые повреждены или модифицированы, могут привести к утечке микроволн и, таким образом, могут представлять опасность для находящихся поблизости людей, потенциально вызывая ожоги.

    Сканеры безопасности всего тела

    Во многих аэропортах США Управление транспортной безопасности (TSA) использует сканеры всего тела для досмотра пассажиров. Сканеры, используемые в настоящее время TSA, используют изображения миллиметровых волн . Эти сканеры посылают небольшое количество излучения миллиметрового диапазона (разновидность радиочастотного излучения) в сторону человека, находящегося в сканере.Радиочастотное излучение проходит через одежду и отражается от кожи человека, а также любых предметов под одеждой. Приемники воспринимают излучение и создают изображение контура человека.

    Сканеры миллиметрового диапазона не используют рентгеновское излучение (или любой другой вид высокоэнергетического излучения), а количество используемого радиочастотного излучения очень мало. По данным Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA), эти сканеры не имеют известных последствий для здоровья. Тем не менее, TSA часто позволяет проводить досмотр людей другим способом, если они возражают против досмотра с помощью этих сканеров.

    Сотовые телефоны и вышки сотовой связи

    Сотовые телефоны и вышки сотовой связи (базовые станции) используют радиочастотное излучение для передачи и приема сигналов. Были высказаны некоторые опасения, что эти сигналы могут увеличить риск развития рака, и исследования в этой области продолжаются. Для получения дополнительной информации см. Сотовые телефоны и вышки сотовой связи.

    Вызывает ли радиочастотное излучение рак?

    Исследователи используют 2 основных типа исследований, чтобы попытаться определить, может ли что-то вызвать рак:

    • Лабораторные исследования
    • Исследования групп людей

    Часто ни один из типов исследований не дает достаточных доказательств сам по себе, поэтому исследователи обычно обращают внимание как на лабораторные, так и на человеческие исследования, пытаясь выяснить, вызывает ли что-то рак.

    Ниже приводится краткий обзор некоторых крупных исследований, посвященных этому вопросу на сегодняшний день. Однако это не исчерпывающий обзор всех проведенных исследований.

    Исследования, проведенные в лаборатории

    У

    радиочастотных волн недостаточно энергии, чтобы напрямую повредить ДНК. Из-за этого неясно, как радиочастотное излучение может вызывать рак. В некоторых исследованиях было обнаружено возможное увеличение частоты определенных типов опухолей у лабораторных животных, подвергшихся воздействию радиочастотного излучения, но в целом результаты этих типов исследований до сих пор не дали четких ответов.

    Несколько исследований сообщили о доказательствах биологических эффектов, которые могут быть связаны с раком, но это все еще область исследований.

    В крупных исследованиях, опубликованных в 2018 году Национальной токсикологической программой США (NTP) и Институтом Рамаззини в Италии, исследователи подвергали группы лабораторных крыс (а также мышей в случае исследования NTP) воздействию радиочастотных волн на все их тела в течение многих часов в день, начиная с рождения и продолжая, по крайней мере, большую часть их естественной жизни.Оба исследования выявили повышенный риск возникновения необычных опухолей сердца, называемых злокачественными шванномами, у самцов крыс, но не у самок (ни у самцов, ни у самок мышей в исследовании NTP). В исследовании NTP также сообщалось о возможном повышенном риске некоторых видов опухолей головного мозга и надпочечников.

    Хотя у обоих этих исследований были сильные стороны, у них также были ограничения, из-за которых трудно понять, как они могут применяться к людям, подвергающимся воздействию радиочастотного излучения. Обзор этих двух исследований, проведенный Международной комиссией по защите от неионизирующего излучения (ICNIRP) в 2019 году, показал, что ограничения исследований не позволяют делать выводы относительно способности радиочастотной энергии вызывать рак.

    Тем не менее, результаты этих исследований не исключают возможности того, что радиочастотное излучение каким-то образом может повлиять на здоровье человека.

    Исследования на людях

    Исследования людей, которые могли подвергаться воздействию радиочастотного излучения на работе (например, люди, работающие рядом или с радиолокационным оборудованием, те, кто обслуживает антенны связи, и радисты), не выявили явного увеличения риска развития рака.

    Ряд исследований искал возможную связь между сотовыми телефонами и раком.Хотя некоторые исследования показали возможную связь, многие другие этого не сделали. По многим причинам трудно изучить, существует ли связь между сотовыми телефонами и раком, включая относительно короткое время, в течение которого сотовые телефоны широко использовались, изменения в технологиях с течением времени и трудности в оценке воздействия на каждого человека. Тема сотовых телефонов и риска рака подробно обсуждается в разделе Сотовые (сотовые) телефоны.

    Что говорят экспертные агентства?

    Американское онкологическое общество (ACS) не имеет какой-либо официальной позиции или заявления о том, является ли радиочастотное излучение сотовых телефонов, вышек сотовой связи или других источников причиной рака. ACS обычно обращается к другим экспертным организациям, чтобы определить, вызывает ли что-то рак (то есть, является ли это канцерогеном), в том числе:

    • Международное агентство по изучению рака (IARC) , которое является частью Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ)
    • Национальная токсикологическая программа США (NTP) , которая сформирована из частей нескольких различных государственных учреждений, включая Национальные институты здравоохранения (NIH), Центры по контролю и профилактике заболеваний (CDC) и Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов. (Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов)

    Другие крупные организации также могут прокомментировать способность определенных воздействий вызывать рак.

    На основании обзора исследований, опубликованных до 2011 года, Международное агентство по изучению рака (IARC) классифицировало РЧ-излучение как «возможно канцерогенное для человека» на основании ограниченных данных о возможном увеличении риска развития опухолей головного мозга среди пользователей сотовых телефонов и неадекватные доказательства других видов рака. (Дополнительную информацию о системе классификации IARC см. в разделе Известные и вероятные канцерогены для человека.) 

    Совсем недавно Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) выпустило технический отчет, основанный на результатах исследований, опубликованных в период с 2008 по 2018 год, а также на национальных тенденциях заболеваемости раком.В отчете сделан вывод: «На основании исследований, подробно описанных в этом отчете, недостаточно доказательств, подтверждающих причинно-следственную связь между воздействием радиочастотного излучения (РЧР) и [образованием опухоли]».

    До сих пор Национальная токсикологическая программа (NTP) не включала радиочастотное излучение в свой отчет о канцерогенах , в котором перечислены воздействия, которые, как известно, являются канцерогенами для человека или разумно предполагаются, что они являются канцерогенами для человека. (Для получения дополнительной информации об этом отчете см. Известные и вероятные канцерогены для человека.)

    Согласно Федеральной комиссии по связи США (FCC) :

    «В настоящее время нет научных данных, подтверждающих причинно-следственную связь между использованием беспроводных устройств и раком или другими заболеваниями. Те, кто оценивает потенциальные риски использования беспроводных устройств, согласны с тем, что в более длительных исследованиях следует изучить, существует ли лучшая основа для стандартов радиочастотной безопасности, чем та, которая используется в настоящее время».

    Как избежать воздействия радиочастотного излучения?

    Поскольку источники радиочастотного излучения настолько распространены в современном мире, невозможно полностью избежать его воздействия.Есть несколько способов снизить воздействие радиочастотного излучения, например:

    .
    • Избегание работ с повышенным радиочастотным воздействием
    • Ограничение времени, которое вы проводите рядом с приборами, оборудованием и другими устройствами (такими как маршрутизаторы Wi-Fi), излучающими радиочастотное излучение
    • Ограничение времени, которое вы проводите с сотовым (мобильным) телефоном, поднесенным к уху (или близко к другой части тела)

    Тем не менее, неясно, будет ли это полезно с точки зрения риска для здоровья.

    Что такое электромагнитное излучение? | Живая наука

    Электромагнитное излучение — это тип энергии, которая окружает нас повсюду и принимает различные формы, такие как радиоволны, микроволны, рентгеновские и гамма-лучи. Солнечный свет также является формой электромагнитной энергии, но видимый свет — это лишь небольшая часть электромагнитного спектра, который содержит широкий диапазон длин волн.

    Когда был открыт электромагнетизм?

    Электромагнитные волны образуются, когда электрическое поле (показано красными стрелками) взаимодействует с магнитным полем (показано синими стрелками).Магнитное и электрическое поля электромагнитной волны перпендикулярны друг другу и направлению волны. (Изображение предоставлено NOAA.)

    Люди знали об электричестве и магнетизме с древних времен, но понятия не были хорошо поняты до 19-го века, согласно истории физика Гэри Бедросяна из Политехнического института Ренсселера в Трое, Нью-Йорк. Йорк. В 1873 году шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл показал, что эти два явления связаны, и разработал единую теорию электромагнетизма , согласно дочернему сайту Live Science Space.ком . Изучение электромагнетизма связано с тем, как электрически заряженные частицы взаимодействуют друг с другом и с магнитными полями.

    Максвелл разработал набор формул, называемых уравнениями Максвелла, для описания различных взаимодействий электричества и магнетизма . Хотя изначально было 20 уравнений, Максвелл позже упростил их до четырех основных. Проще говоря, эти четыре уравнения формулируют следующее:

    • Сила притяжения или отталкивания между электрическими зарядами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
    • Магнитные полюса парами притягиваются и отталкиваются друг от друга, как это делают электрические заряды.
    • Электрический ток в проводе создает магнитное поле, направление которого зависит от направления тока.
    • Движущееся электрическое поле создает магнитное поле, и наоборот.

    Как возникает электромагнетизм?

    Электромагнитное излучение создается, когда заряженная атомная частица, такая как электрон, ускоряется электрическим полем, заставляя ее двигаться.Движение создает колеблющиеся электрические и магнитные поля, которые движутся под прямым углом друг к другу, согласно онлайн-курсу физики и астрономии от PhysLink.com . Волны имеют определенные характеристики, такие как частота, длина волны или энергия.

    Длина волны — это расстояние между двумя последовательными пиками волны, по данным Университетской корпорации атмосферных исследований (UCAR) . Это расстояние указывается в метрах или долях от них. Частота — это количество волн, которые формируются в течение заданного промежутка времени.Обычно измеряется как количество волновых циклов в секунду или герц (Гц). Короткая длина волны означает, что частота будет выше, потому что один цикл может пройти за более короткий промежуток времени. Точно так же более длинная длина волны имеет более низкую частоту, потому что каждый цикл занимает больше времени.

    Из каких частей состоит электромагнитный спектр?

    Электромагнитный спектр, от самой высокой до самой низкой частоты волн. Электромагнитный спектр обычно делится на семь областей в порядке уменьшения длины волны и увеличения энергии и частоты: радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолет, рентгеновские лучи и гамма-лучи.(Изображение предоставлено Shutterstock)

    Электромагнитное излучение охватывает огромный диапазон длин волн и частот. Этот диапазон известен как электромагнитный спектр согласно UCAR . Электромагнитный спектр обычно делится на семь областей в порядке уменьшения длины волны и увеличения энергии и частоты. Общими обозначениями являются радиоволны, микроволны, инфракрасное (ИК), видимый свет, ультрафиолетовое (УФ) излучение, рентгеновские лучи и гамма-лучи.

    Радиоволны

    Радиоволны относятся к самому нижнему диапазону электромагнитного спектра с частотами примерно до 30 миллиардов герц или 30 гигагерц (ГГц) и длинами волн больше примерно 0.4 дюйма (10 миллиметров). Радио используется в основном для связи, включая передачу голоса, данных и развлекательных медиа.

    Микроволны

    (Изображение предоставлено Shutterstock)

    Микроволны попадают в диапазон электромагнитного спектра между радио и ИК. Они имеют частоты примерно от 3 ГГц до 30 триллионов герц или 30 терагерц (ТГц) и длину волны примерно от 0,004 до 0,4 дюйма (от 0,1 до 10 мм). Микроволны используются для широкополосной связи и радаров, а также в качестве источника тепла для микроволновых печей и промышленных приложений.

    Инфракрасный

    Инфракрасный находится в диапазоне электромагнитного спектра между микроволнами и видимым светом. ИК имеет частоты примерно от 30 до 400 ТГц и длину волны примерно от 0,00003 до 0,004 дюйма (от 740 нанометров до 100 микрометров). ИК-свет невидим для человеческого глаза, но мы можем почувствовать его как тепло, если его интенсивность достаточна.

    Видимый свет

    Видимый свет находится в середине электромагнитного спектра, между ИК и УФ.Он имеет частоты от 400 до 800 ТГц и длину волны от 0,000015 до 0,00003 дюйма (от 380 до 740 нанометров). В более общем смысле видимый свет определяется как длина волны, видимая большинству человеческих глаз.

    Ультрафиолет

    Ультрафиолет — это диапазон электромагнитного спектра между видимым светом и рентгеновским излучением. Он имеет частоты от 8 × 10 14 до 3 x 10 16 Гц и длину волны от 0,0000004 до 0,000015 дюйма (от 10 до 380 нанометров).Ультрафиолетовый свет является составной частью солнечного света, но он невидим для человеческого глаза. Он имеет множество медицинских и промышленных применений, но может повредить живые ткани.

    Рентгеновские лучи

    (Изображение предоставлено Shutterstock)

    Рентгеновские лучи грубо делятся на два типа: мягкие рентгеновские лучи и жесткие рентгеновские лучи. Мягкие рентгеновские лучи составляют диапазон электромагнитного спектра между УФ и гамма-лучами. Мягкое рентгеновское излучение имеет частоты примерно от 3 × 10 90 753 16 90 754 до 10 90 753 18 90 754 Гц и длины волн примерно от 4 × 10 90 753 −7 90 754 до 4 × 10 90 753 −8 90 754 дюймов (от 100 пикометров до 10 нанометров).Жесткие рентгеновские лучи занимают ту же область электромагнитного спектра, что и гамма-лучи. Единственная разница между ними заключается в их источнике: рентгеновские лучи создаются ускоряющими электронами, а гамма-лучи — атомными ядрами.

    Гамма-лучи

    Гамма-лучи находятся в диапазоне спектра выше мягкого рентгеновского излучения. Гамма-лучи имеют частоты более 10 90 753 18 90 754 Гц и длины волн менее 4 × 10 90 753 −9 90 754 дюймов (100 пикометров). Гамма-излучение повреждает живые ткани, что делает его полезным для уничтожения раковых клеток при воздействии на небольшие участки в тщательно отмеренных дозах.Однако неконтролируемое воздействие чрезвычайно опасно для человека.

    Эта статья была обновлена ​​17 марта 2022 г. автором Live Science Адамом Манном.

    Дополнительные ресурсы

    • Узнайте больше об электромагнитном спектре с помощью этой интерактивной страницы от НАСА.
    • Преобразуйте длину волны в частоту и узнайте размер различных электромагнитных волн с помощью этого калькулятора от HyperPhysics, веб-сайта, размещенного Университетом штата Джорджия.
    • Прочитайте новаторский трактат Джеймса Клерка Максвелла 1873 года об электричестве и магнетизме в Интернете.

    Библиография

    Саттер, П. (2021, 29 сентября). Кем был Джеймс Клерк Максвелл? Величайший физик, о котором вы, вероятно, никогда не слышали. Space.com. https://www.space.com/who-was-james-clerk-maxwell-physicist  

    Университетская корпорация атмосферных исследований, Центр научного образования. (2017). Электромагнитный (ЭМ) спектр . https://scied.ucar.edu/learning-zone/atmosphere/electromagnetic-spectrum  

    Университетская корпорация атмосферных исследований, Центр научного образования. (2018). Длина волны . https://scied.ucar.edu/learning-zone/atmosphere/wavelength  

    Валорски, П. (без даты). Почему электроны излучают электромагнитную энергию, когда они ускоряются? PhysLink.com. Получено 17 марта 2022 г. с https://www.physlink.com/education/askexperts/ae436.куб. м  

    .

    0 comments on “Энергия радиоволн: Урок 13. радиоволны и особенности их распространения — Естествознание — 11 класс

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.