Зажигаем 100 вольтовую лампочку энергией из окружающей среды

С «умными» сотовыми телефонами, Wi-Fi, системами RFID-меток и многими другими новыми приложениями для радиоволн в наши дни очевидно, что мы погружены в электромагнитное поле («ЭМП») практически везде, куда бы мы ни пошли. Вреден ли он для человека или нет — спорный вопрос, хотя многие ученые скажут вам, что при нынешнем уровне интенсивности это не вредит нам. Однако вы можете легко продемонстрировать, что такие поля могут быть довольно сильными. По крайней мере, это указывает на постоянно растущую потребность в экранировании в проектах электроники для хобби, чтобы избежать неприятного шума. Поскольку в окружающей среде так много ЭМП, несколько исследовательских проектов (в основном военных) намеренно «собирают» энергию и пытаются использовать ее для работы датчиков, крошечных передатчиков и других устройств, которым никогда не потребуются батареи или даже солнечные элементы. Другое направление исследований направлено на использование исключительно механического шума для извлечения энергии из окружающей среды, аналогично тому, как работают механические наручные часы с автоподзаводом. Однако многим полезным вещам, таким как датчики, так или иначе требуется электроэнергия, и обычно неэффективно собирать механическую энергию низкого уровня и преобразовывать ее в электричество. Хотя радиоантенна преобразует электромагнитные волны в электричество, напряжение, подаваемое на сотовые телефоны от ферритовых антенн, обычно составляет всего несколько микровольт. Это может быть сюрпризом для читателя, но в миллион раз большее напряжение — возможно, четыре вольта или около того — можно получить простыми средствами во многих распространенных средах, используя довольно длинную антенну и хорошее заземление. Токи небольшие, но их легко можно накопить, чтобы кратковременно зажечь вольфрамовую лампочку накаливания. С помощью трансформатора эти напряжения можно увеличить настолько, чтобы вспыхнула неоновая лампочка. Удивительно, но совершенно верно, и все это можно проверить с помощью несложных экспериментов. Схема показана на рисунке 1 , но нет необходимости использовать какие-либо переключатели. Вместо них можно использовать зажимы типа «крокодил». Например, глядя на S1 на диаграмме, зажим может быть временно подключен от антенны к вольтметру переменного тока.

ФИГУРА 1.

Для антенны можно использовать удлинитель длиной 15 футов или любой другой изолированный провод примерно такой длины. Для первых экспериментов его можно растянуть на полу вашего дома, а может быть, и в другой комнате. Необходимо «спокойное» заземление, чтобы избежать улавливания паразитных напряжений, которые не являются электромагнитными по происхождению. Следует отметить, что «обратный» или «нейтральный» провод линий электропередач переменного тока на 120 вольт (в США обозначен белым цветом) не подходит, поскольку на нем часто бывает значительное напряжение из-за резистивных заземляющих соединений. Использование этого было бы жульничеством, если мы исследуем энергию, которая исходит исключительно от ЭМП в воздухе. Точно так же на зеленом защитном соединении может быть около 10 вольт относительно истинной земли, если поблизости работает сушилка для белья или кондиционер. Для этих экспериментов лучшее заземление можно получить, вбив голый металлический карниз в землю и прикрепив к нему зажим. Измерителем переменного напряжения может быть любой прибор с входным сопротивлением около 10 МОм, например портативный цифровой мультиметр. Его также можно использовать в качестве амперметра и вольтметра постоянного тока, показанных на рисунке 1 , если его отсоединить от положения S1, а затем снова подключить к S2, а затем к S3. В качестве альтернативы, конечно, можно использовать отдельные счетчики. Двухполупериодный диодный мост может выпрямить вход, как показано на рисунке. Однако хорошие результаты можно получить, используя только диод D1, с простым проводом вместо D3 и вообще без соединений в положениях D2 и D4. Светодиод должен быть слаботочного типа, например, номер по каталогу RadioShack 276-044, который будет излучать видимый свет силой всего два мА. Вольфрамовая лампа накаливания также должна быть слаботочного типа, например, номер по каталогу RadioShack 272-1139 или аналогичная, которая загорается при токе всего 20 мА. Трансформатор может представлять собой понижающий источник питания от 120 до 6 вольт, который мы будем использовать «назад», в повышающем режиме 20:1. Переключатель S6 (или просто обычный зажим) будет использоваться для сброса заряда конденсатора в обмотку низкого напряжения, и почти любая неоновая или аргоновая лампа, подключенная к обмотке высокого напряжения, будет мигать. Если вы не находитесь в железной шахте, вы, вероятно, находитесь в достаточно сильном электромагнитном поле. Даже внутри металлического здания обычно есть некоторое колебательное поле, исходящее от 120-вольтовых линий электропередач переменного тока в стенах, просто из-за мощности, которая всегда идет на компьютеры, «мгновенно включенные» телевизоры и даже множество электрических часы, которые есть в домах большинства людей. Это особенно актуально в городской или пригородной зоне, если рядом с домом на телефонных столбах проложены линии электропередач — количество создаваемого ими ЭМП может вас удивить. Во всяком случае, вы можете ощутить такие поля с помощью прибора, изображенного на рис. 1 , и судить сами. Внутри типичного дома или офисного здания довольно много ЭМП окружающей среды представляет собой переменный ток частотой 60 Гц или его гармоники. Более слабое излучение приходится на сверхнизкие частоты, создаваемые грозами по всему миру. В качестве источников энергии для сбора предлагается широкий спектр излучений, как описано в публикациях, которые выдаст любая поисковая система в Интернете, если вы введете «собирать электричество» в диалоговом окне. Тем не менее, все больше и больше радиочастот будет находиться на микроволновых частотах, поскольку мы все больше используем такие вещи, как метки RFID, которые Wal-Mart и другие крупные компании внедряют миллионами, а также по мере того, как Wi-Fi проникает во все большее количество общественных мест и домашние сети. С 15-футовой или более длинной антенной, извивающейся по полу из комнаты в комнату в типичном загородном доме, и используя заземляющий стержень снаружи, вы, вероятно, увидите от двух до четырех вольт переменного тока (среднеквадратичное значение). Удивительно, но это может не сильно отличаться от сильноточного прибора, например, когда сушилка для белья включается и выключается. Вынеся антенну на улицу, накинув ее горизонтально на несколько шезлонгов на лужайке на заднем дворе, вы можете ожидать более низкое напряжение, возможно, всего несколько сотен милливольт. При расположении антенны вертикально на дереве измеренное напряжение обычно не сильно отличается, несмотря на то, что многие радиопередачи имеют вертикальную поляризацию. Переместив весь аппарат во двор, рядом с линиями электропередач на телефонных столбах, измерения, вероятно, будут больше похожи на то, что видно внутри дома, возможно, несколько вольт. С другой стороны, Глядя на вход с помощью осциллографа, прикрепленного вместо вольтметра переменного тока на рис. 1 , в принимаемом сигнале может быть видно большое количество 60 Гц. В некоторых случаях основная синусоида сильно искажена, а гармоник больше, чем основной, особенно на частоте 120 Гц, из-за различных фазовых задержек. Почти всегда существует большое количество постоянно меняющихся высокочастотных хэшей поверх постоянно повторяющихся сигналов. Некоторые из них находятся на чрезвычайно высоких частотах и ​​состоят из цифровых импульсов, хотя упрощенная антенна смещает устройство в сторону улавливания низких частот. Из наблюдений, подобных этим, видно, что наши электронные устройства в наши дни нуждаются в хорошей защите от ЭМП. Возможно, в будущем щиты придется улучшать, так как все больше и больше этих невидимых полей становятся обычным явлением. Во многих случаях уже необходимо использовать «охранники», а также «экраны» для таких устройств, как операционные усилители с очень высокими коэффициентами усиления. Также представляется разумным время от времени переоценивать возможное воздействие на людей, поскольку эти поля становятся более интенсивными, а их частоты возрастают. При подключении выпрямителя постоянный ток может храниться в конденсаторе емкостью 1000 мФ. Двухполупериодный диодный мост на рисунке эффективен, но, как упоминалось выше, можно получить более медленное накопление только с D1. Переключив S2 (или просто используя провод с зажимом), можно оценить прерываемый поток постоянного тока, и типичные показания внутри дома могут (как ни удивительно!) достигать нескольких миллиампер, хотя более распространена десятая часть этого. Примерно через час зарядки напряжение конденсатора 1000 мкФ можно измерить с помощью S3. Это будет среднеквадратичное напряжение переменного тока, умноженное на квадратный корень из 2, и четыре вольта являются типичными при измерении внутри загородного дома. В электролитическом конденсаторе достаточно энергии, чтобы зажечь слаботочный светодиод через S4. Фактически, короткая вспышка может быть видна в слаботочной вольфрамовой лампе через S5. Используя S6 или его аналог, заряд конденсатора можно внезапно сбросить на первичную обмотку повышающего трансформатора. (Как упоминалось выше, силовой трансформатор, который обычно является понижающим, можно использовать для этого эксперимента «назад».) Соотношение 10: 1 или 20: 1 обычно зажигает небольшую неоновую или другую газоразрядную лампочку на мгновение. На осциллографе этот импульс может достигать 100 вольт. Таким образом, из окружающей среды можно извлечь достаточно высокое напряжение очень простыми средствами.

СПИСОК ДЕТАЛЕЙ