Передача электроэнергии без проводов. Чаще всего здесь имеется в виду энергия ВЧ колебаний, с помощью которой приводится в движение транспорт, снабженный электродвигателем. Колебания ВЧ излучаются контуром, помещенным, например, под покрытием улицы. Над проблемой беспроводной передачи энергии работали много лет, но только в 1943 г. советский электротехник Г.Бабат построил первый в мире электрический автомобиль, питаемый на расстоянии, который был назван «ВЧ мобилем». В следующем году на одном из советских заводов был введен в эксплуатацию электрокар с двигателем мощностью около 2 кВт. Он передвигался по асфальтовым дорожкам, вдоль которых под землей были проложены медные трубки небольшого диаметра.Через них пропускали переменный ток частотой 50 Гц. Эффективный радиус действия этих проводов равнялся 2...3 м в каждую сторону.
Первые шаги были сделаны, но, к сожалению, потери электрической энергии были очень велики: на каждом квадратном метре трассы терялся 1 кВт мощности, причем для привода использовалось лишь 4% энергии, а остальные 96% терялись безвозвратно.
Начались дальнейшие поиски, пробовали увеличить частоту питающего тока, но безуспешно. Было, наконец, обнаружено, что самые большие потери возникают из-за подземных вихревых токов, возбуждаемых ВЧ полем. К этому еще добавились потери на излучение, а также небольшой К.П.Д. генераторов ВЧ. После долгих исследований в конце 1947 г. в Москве была построена экспериментальная трасса, где на каждый квадратный метр поверхности потреблялось только 10 Вт электрической мощности. Провода из тонкостенных медных или алюминиевых трубок были уложены в изоляционных каналах или в асбесто-цементных трубах. Электрокар тоже был модифицирован - из него были удалены по возможности все металлические части. В 1954 г, в СССР было запущено несколько линий водного транспорта, питаемого с берега ВЧ энергией.
В 1958 г. на одной из шахт Донбасса была введена в эксплуатацию первая промышленная ветка ВЧ транспорта. Под кровлей штрека был уложен двойной провод (петля), через который пропускали ток в несколько десятков ампер частотой 2500 Гц. На крыше электрокара находился приемный контур, состоящий из шести витков провода, намотанного на ферромагнитном сердечнике.
Однако до полной решения проблемы далеко. Большие трудности возникают при изготовлении проводов, вносящих небольшие потери, а также при разработке средств защиты приемных устройств от помех, вызванных сильным электромагнитным полем. Подобные эксперименты проводились и проводятся в других странах, например в США и Англии. Предвидится, что в будущем беспроводная система питания найдет широкое применение в пригородном транспорте, питающая сеть будет помещена под покрытием улиц, а электрокарам достаточно будет использовать приемный контур, уложенный по периметру машины. При выборе частоты питающего тока надо принимать во внимание, что чем ниже частота, тем больше должна быть мощность питающей сети и тем больше будут потери. Повышение частоты позволяет уменьшить мощность питающей сети, но увеличивает потери на вихревые токи, наводимые в среде, окружающей провода (в земле, в металлических предметах, например, трубопроводах и т. п.). Наибольшее значение К.П.Д. в беспроводной системе передачи энергии достигается при частоте немного выше предела слышимости, т. е. около 20 кГц.
В провода питающей сети и в приемный контур включают конденсаторы, обеспечивающие условия согласования реактивных сопротивлений и снижающие потери мощности.
Знакомство с проблемами ВЧ транспорта понадобилось, чтобы найти некоторые отправные точки для конструирования моделей машин, энергия которым доставляется без соединительных проводов. Такие модели строят не очень часто, но они всегда вызывают большой интерес на выставках, даже международных. Интерес к технике будущего общеизвестен. Система ВЧ транспорта - это как правило, трансформатор, первичная обмотка которого уложена вдоль трассы, а вторичная находится в машине. Энергия передается из первичной обмотки во вторичную с помощью электромагнитного поля (рис. 6.8).

(рис.6.8)  Электропитание моделей машин без проводов: а - принципиальная электрическая схема передающего устройства; б - электрическая схема приемника: в - модель и трасса (1 - кольцо, ведущее модель); г - пример усовершенствованной трассы ВЧ транспорта (1 - передающие петли связи)

Источником энергии служит ВЧ генератор достаточно большой мощности (рис. 6.8, а). Катушка контура генератора представляет собой один виток алюминиевой трубки. Дроссель Др состоит из 25 витков медного провода сечением 1,5 мм в двойной волокнистой изоляции, намотанных в один слой на каркасе диаметром 30 мм. Для питания цепей генератора можно использовать выпрямитель от старого телевизора. Приемник (рис. 6.8, б) снабжен петлей связи из латунной трубки диаметром 3...4 мм. Емкость конденсатора С подбирают в пределах 1000... 3000 пФ, чтобы малогабаритный электродвигатель модели получал наибольшую энергию. Диод Д1 - лучше всего кремниевый (например, переделанный из транзистора), он может быть также и германиевым типа DOG 50...63,(Д2, Д9), DZG 1...4 (Д7). В зависимости от потребляемого двигателем тока соединяют параллельно несколько диодов. В нашей модели было соединено параллельно 5...6 диодов. Величина емкости конденсатора сглаживающего фильтра не критична. Модель трассы («улицы») размером 1x1 м изготовляют из пластмассы, доски или фанеры. Под ней помещают катушку L1, генератор ВЧ и блок питания. Чтобы проверить работу генератора, устанавливают на «улице» индикатор - виток провода ПЭВ 0,5 диаметром 640 мм с лампой накаливания 6 В X 65 мА. Лампа должна гореть.
Вторичная обмотка (петля связи) модели представляет собой незамкнутый виток медного провода или трубки, уложенный на полу автомобиля. Если бы этот виток был замкнут, то он потреблял бы слишком много ВЧ энергии и сильно нагревался. Вариант модели с кузовом из пластмассы имел привод от электродвигателя на ось задних колес через зубчатую и фрикционную передачи с общим передаточным отношением 40:1. Очень важно, чтобы автомобиль (или другая модель) имел как можно меньше металлических частей.
На рис. 6.9 показана модель самоходного электрического подъемника голландской фирмы «Филипс».

(рис.6.9)  Модель подъемника, управляемого без проводов: а, б - конструкция (А - плита подъемника); в - направляющие плиты, из которых одна является катушкой L1, С - подстроечные конденсаторы, D - выпрямители, Z - заднее колесо.

Двухламповый передатчик на лампах типа E1..34 потребляет мощность до 150 Вт. Петля размерами 1Х2 м обеспечивает в своем контуре мощность 50 Вт, значение магнитной индукции около(0,4 Гс). Генератор работает на трех каналах: 20 кГц (плавно перестраиваемый в диапазоне 19...21 кГц, 15 кГц и 30 кГц. Первый канал (20 кГц) служит для управления и одновременно для привода в действие модели, второй для переключения направления движения (вперед или назад) и третий для поднятия и опускания подъемника.
Модель (рис. 6.9, а) снабжена четырьмя магнитными антеннами, которые с помощью конденсаторов настроены на соответствующие резонансные частоты передатчика и дополнены небольшими петлями связи. Передние приводные колеса приводятся в действие отдельными электродвигателями постоянного тока мощностью 3 Вт, питаемыми от контуров L1 и L2 через выпрямитель. В зависимости от частоты передатчика, частоты вращения валов электродвигателя могут либо совпадать, либо различаться. Таким образом управляют моделью. Заднее колесо неуправляемое, оно может свободно вращаться вокруг вертикальной оси. Двухпозиционное реле Р1 питается от контура L3, а реле Р2 - от контура L4 (включает электродвигатель М3 подъемника). Элементы конструкции модели показаны на рис, 6.9, б.
Другой метод передачи энергии ВЧ на расстоянии без соединительных проводов требует применения сложной системы направленных антенн. Известны схемы простейших транзисторных приемников без источников питания, работающих на энергии принимаемой радиостанции. Нельзя ли, применяя специальные устройства, передавать таким же путем энергию, достаточную для питания электродвигателей, освещения и т. п. Довольно обнадеживающие результаты дает применение направленных антенн. Это было известно давно, но только в 1946 г. в СССР был разработан метод расчета специальных направленных антенн для передачи энергии ВЧ на расстояние. Было установлено, что две специальные антенны размерами 100 X 100 м, работающие на волне длиной 1 см (30000 МГц), позволяют передать энергию радиоволн (в идеальных условиях) на расстояние 5 км с К.П.Д. 60%, а на 50 км с К.П.Д. 40%. Таких же размеров антенны, но при длине волны 10 см (3000 МГц) способны передавать энергию с К.П.Д. 50% на расстояние 2,2 км и 25% на расстояние 30 км. На волне 1 см антенны размерами 10 X 10 м передают энергию на расстояние 2,2 км с К.П.Д. 50%, а на 10 км с К.П.Д. 35%. Приведенные расчетные данные позволили разработать ряд экспериментальных установок. Большие возможности открываются здесь и для лазерной техники.
На рис. 6.10, а представлена модель вертолета, питаемого без проводов с земли с помощью микроволнового генератора мощностью 5 кВт.

(рис.6.10) Модель вертолета, приводимого в движение ВЧ энергией. Вертолёт может достигать высоты 15 м; М - двигатель постоянного тока, Д - кремниевые диоды в смешанном соединении, служащие одновременно в качестве дипольных антенн и детекторов сантиметровых волн; выходная мощность набора антенн до 200 Вт, К.П.Д. 25...50%, масса около 1 кг.

Передающая антенна снабжена линзовым рефлектором, приемная - плоская, состоящая из сетки диполей-диодов длиной около 10 мм каждый. Диаметр несущего винта, приводимого в действие электродвигателем, равен 1,8 м.
Другим летательным аппаратом, питаемым внешней энергией, является ионолет (рис. 6.11).

(рис.6.11) Ионолеты: а - электрическая схема электростатического двигателя (1 - высоковольтный генератор, 2 - игла, 3 - сетка); б - проект ионолета будущего; в - модель ионолета (1 - диэлектрик, 2 - мягкие провода питания, 3 - медный провод диаметром 0,06 мм в металлической рамке размерами 100X150 мм).

Принцип действия простейшего электростатического двигателя заключается в следующем (рис. 6.11, а): металлические иглы, заряженные отрицательно, находятся над металлической сеткой, заряженной положительно. Ионы воздуха между электродами, благодаря разности потенциалов, переносятся к сетке, отдают ей свой заряд и вылетают через отверстия в виде незаряженных частиц. Это напоминает работу электронной лампы (диода). В электростатическом двигателе тяга образуется вследствие ускорения ионизированных атомов газа в электростатическом поле. Таким образом, электрическая энергия непосредственно превращается в кинетическую энергию струи воздуха. Электростатический двигатель не имеет подвижных частей и поэтому практически вечен. Работает он бесшумно, без вибраций. Самолет, приводимый в действие таким двигателем, может двигаться в любом направлении, а также висеть в воздухе неподвижно. Преимущество электростатического привода по сравнению с питанием энергией ВЧ колебаний заключается в свободе маневрирования в полете и автономности, в то время как аппараты, питаемые с земли, должны находиться почти неподвижно над передающей антенной. Вид ионолета может быть любым. Первая модель (рис. 6.11, б) представляла собой прямоугольную рамку из бальсового дерева (легкое дерево, применяемое при постройке летающих моделей), на которой помещалась сетка из алюминиевой проволоки. Энергия подводилась с помощью коаксиального кабеля. Ионолеты будущего будут, по всей видимости, иметь вид летающих пластин или дисков. Что касается экономичности, то общий К.П.Д. ионолета равен 40...50%, в то время как К.П.Д. современного вертолета не превышает 14...18%.
Путь к настоящему ионолету еще очень далек, но модели его уже можно строить. Обычная школьная электростатическая машина может раскрутить винт нелетающей модели вертолета (рис. 6.12).

(рис.6.12)  Модель вертолета с электростатическим двигателем

Хорошие результаты даст электростатический генератор (рис. 16.9), а самые лучшие - ионизатор воздуха (рис. 20.5, а). В последнем случае модель, подобная показанной на рис. 6.11, в, будет летать и приземляться.