Ensayo con contenido sobre la transmisión inalámbrica de energía. Escrito por el alumno de ingeniería Salamanca Méndez Miguel Ángel, para la materia de DHTC.

1. INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
DESARROLLO DE HABILIDADES DE LAS
TECNOLOGÍAS DE LA INFORMACIÓN
SALAMANCA MÉNDE MIGUEL ÁNGEL
201513186
TALLER 04: “ENSAYANDO”

2. ELECTRICIDAD INALAMBRICA
RESUMEN
La transmisión de energía eléctrica inalámbrica, es decir, sin la utilización
de cables consiste en dos bobinas: emisora y receptora. La bobina emisora
genera campos electromagnéticos y la receptora capta la energía que está en el
ambiente. Esta forma de transmisión eléctrica es útil para los dispositivos que
utilizan potencial eléctrico para funcionar en casos donde la utilización de cables
es inconveniente. Esta forma de electricidad está basada en los descubrimientos
de Nikola Tesla sobre inducción electrostática, descubierta en 1891. Witricity es la
primera marca registrada que maneja la electricidad inalámbrica.
La energía inalámbrica usa muchos de los mismos campos y ondas como los
dispositivos de comunicación inalámbricos como la radio, otra tecnología familiar
la cual implica la energía transmitida sin cables por campos electromagnéticos,
utilizados en teléfonos, difusión de radio y televisión, y WiFi. En las
radiocomunicaciones el objetivo es la transmisión de información, por lo tanto, la
cantidad de energía que llega al receptor no es tan importante mientras sea
suficiente para que la relación señal/ruido sean tan alta como para que la
información pueda ser recibida inteligiblemente. En las tecnologías de
comunicación inalámbrica, generalmente sólo delgadas cantidades de energía
llegan al receptor. Por contraste, en la energía inalámbrica, las cantidades de
energía recibida son algo importante, por lo que la eficiencia (fracción de la
energía transmitida que es recibida) es el parámetro más significativo.5
Por esta
razón, las tecnologías de energía inalámbrica están más limitadas por la distancia
que las tecnologías de comunicación inalámbricas.

3. INDICE
Introducción
1. Antecedentes históricos
2. Desarrollo de la electricidad inalámbrica
3. Regiones de campo
4. Técnicas de campo cercanas o no radioativas
4.1. Acoplamiento inductivo
Conclusiones
Bibliografía
Anexos

4. 1. Antecedentes históricos
Nikola Tesla inventor de la Witricidad
El mundo actual debe mucho a Nikola Tesla, posiblemente es el más grande
inventor del siglo XX. De origen Serbio, nacido en 1856 en Smilijan. Nikola se
plantó en Nueva York con 28 años, llevaba en su bolsillo una carta de
recomendación dirigida a Thomas Alva Edison, el padre de la bombilla, del
teléfono, del micrófono, del fonógrafo, etc. Tesla venía de trabajar al Continental
Edison en su sede de París, la compañía del inventor norteamericano. Se
presentó en el despacho de Edison, su futuro jefe, y salió con un puesto de
trabajo. Pero entre ambos no hubo “química”.
El motivo de la desconfianza de Edison se debía a que el americano, en
aquel momento, defendía un modelo de negocio basado en la energía eléctrica
continua. Edison buscaba inversores para implantar su sistema de distribución
eléctrica en Manhattan. Esta inversión se puso en marcha en 1882 y estaba
basada en corriente continua de 110 voltios.
Tesla, defendía el sistema de distribución basado en la energía corriente
alterna; sistema mucho más eficiente que el modelo de corriente continua de
Edison. Esta pugna entre Nikola y Thomas se denominó la guerra de las
corrientes Finalmente Ganó Tesla y es el modelo implantado universalmente
como sistema de distribución de potencia eléctrica.

5. Tesla abandonó la compañía de Edison y se marchó a Massachusetts a
trabajar con George Westinghouse, que tenía gran interés en crear una pequeña
red eléctrica, basada en la corriente alterna.
Su mayor aportación a la tecnología fue desarrollar un sistema de distribución
de potencia eléctrica en forma de corriente alterna incluyendo el sistema
polifásico. El motor de inducción, inventado y patentado por Tesla, era esa clave
de esta nueva tecnología. Westinghouse pagó a Tesla 60.000 dólares por la
compra de 40 patentes; cinco mil en metálico y el resto en acciones de su
compañía; pero la parte variable del salario iba a ser interesante: Tesla recibiría
3 dólares por cada KW de potencia instalado y vendido. Pero cuando las cosas
tomaron el recorrido industrial, la parte variable resultó inviable. La evolución del
negocio y la falta de visión de Westinghouse hubieran convertido a Tesla en el
mayor multimillonario de la historia.
Mientras tanto continuaba la “guerra de las corrientes”. Edison hizo
exhibiciones públicas para demostrar lo peligroso que era la corriente alterna
de Tesla para uso doméstico. Llegó a filmar la ejecución mediante descarga
eléctrica de un elefante del circo de Coney Island que había matado a tres
hombres. Además, Harold P. Brown, un ingeniero al servicio de Edison,
inventó la silla eléctrica; utilizada por primera vez en agosto de 1890. El
objetivo era desacreditar ante la opinión pública la corriente alterna que
empleaba dicha silla eléctrica como agente mortal para los humanos.
En 1893, el equipo de Westinghouse y Tesla lograron un gran éxito.
Consiguieron el contrato de iluminación de la Feria Internacional de Chicago,
dedicada a la tecnología de moda: la electricidad. La iluminación se realizó
generadores de corriente alterna.
2. Desarrollo de la electricidad inalámbrica
Nikola Tesla invento y desarrollo un sistema para la trasmisión de energía
eléctrica sin cables. Se basaba en la conductividad eléctrica de la tierra. La
transmisión inalámbrica requería de un rayo ultravioleta de alta potencia que

6. debía producir un canal ionizado en el aire, entre las estaciones de emisión y
recepción. La tecnología quedó demostrada 1891 (proyecto wardenclyffe) y el
fenómeno recibió el nombre de “efecto tesla” en honor a su inventor.
Las técnicas de transferencia de energía
pueden ser de dos clases, la no-radiativa
y la radiativa. En las técnicas de campo
cercano o no-radiativas, la energía es
transferida a través de cortas distancias
por campos magnéticos usando un
acoplamiento magnético entre electrones.
Este tipo se aplica a cepillos dental
eléctricos, cargadores, etiquetas RFID,
tarjetas inteligentes, cargadores para
dispositivos médicos implantables
como marcapasos, y potencia inductiva o
cargadores de vehículos eléctricos como
trenes o autobuses. Su enfoque actual es
el de desarrollar sistemas inalámbricos
para cargar dispositivos informáticos
portátiles y móviles como teléfonos celulares o reproductores digitales de música y
computadoras portátiles sin estar atado a un enchufe de pared.
En las técnicas radiativas o de campo cercano y lejano, también
llamadas, radiantes de energía, la energía es transmitida por haces de radiación
electromagnética, como microondas o haces de láser. Estas técnicas pueden
transportar la energía por una distancia mayor pero deben ser dirigidas en el
receptor. Las aplicaciones propuestas para este tipo son la de satélites de energía
solar y vehículos aéreos no tripulados de energía inalámbrica. Un importante
problema asociado a todos los sistemas de energía inalámbrica es limitar la
exposición de las personas y otros seres vivos a posibles dañinos campos
electromagnéticos.

7. 3. Regiones de campo
Los campos eléctricos y campos magnéticos son creados por una partícula
cargada en la materia tales como los electrones. Una carga estacionaria crea un
campo electrostático en el espacio alrededor de ella. Una carga estable
de corriente eléctrica, corriente directa crea un campo magnético alrededor de ella.
Los campos anteriores contienen energía pero no pueden llevar energía
eléctrica porque son estáticas. De todas maneras, los campos de tiempo-variable
pueden llevar energía. Acelerando las cargas eléctricas, tal como se encuentran
en una corriente alterna de electrones en un cable, crea campos eléctricos y
magnéticos de tiempo-variable en el espacio alrededor de ellas. Estos campos
pueden ejercer fuerzas oscilantes en los electrones y en la "antena" receptora,
causando que se muevan de atrás hacia adelante. Estas representan una
corriente alternativa que puede ser usada para generar una carga. Los campos
eléctricos y magnéticos oscilantes, circundan moviendo cargas eléctricas en el
"dispositivo antena" que pueden ser divididos en dos regiones, dependiendo de la
distancia Drange de la antena. El límite entre las regiones está vagamente
definido. Los campos tienen diferentes características en estas regiones, y
diferentes tecnologías son usada para transmitir energía:
 Los Campos cercanos o regiones no radiativas- Esto significa que el área
dentro de aproximadamente 1 longitud de onda (λ) de la antena. En esta
región, los campos eléctricos oscilantes y campos magnéticos están
separados y la energía puede ser transferida a través de los campos eléctricos
por la capacidad de acoplamiento de la inducción electrostática entre
electrodos metálicos o a través de campos magnéticos por acoplamiento
inductivo de inducción electromagnética entre rollos de almabre. Estos campos
no son radiativos, lo que significa que la energía se mantiene dentro de una
distancia cercana a la del transmisor. Si no hay dispositivos receptores o
material absorbente dentro del rango limitado para "emparejarlo", la energía no
deja al emisor. El rango de estos campos es corto, y depende del tamaño y
forma de los dispositivos "antena", los cuales son comúnmente rollos de

8. alambre. Los campos y la energía transmitida, disminuye exponencialmente
con la distancia así, si la distancia entre dos "antenas" Drange es mucho mayor
que el diámetro de "antenas" Dant muy poca energía será recibida. Por lo tanto,
éstas técnicas no pueden ser usadas para transmisiones de energía de larga
distancia.
La Resonancia, tal como la resonancia de acoplamiento inductiva, puede
incrementar grandiosamente el acoplamiento entre antenas, permitiendo
una transmisión eficiente en distancias mayores, aunque los campos aún
disminuyen exponencialmente. Por lo tanto, el rango de los dispositivos de
campo-cercano es convencionalmente dividido en dos categorías:
 Rango Corto - hasta aproximadamente el diámetro de una
antena: Drange ≤ Dant. Este es el rango alrededor del cual la capacidad
no resonante ordinaria o acoplamiento inductivo puede transferir
cantidades prácticas de energía
 Rango medio - por encima de 10 veces el diámetro de la
antena: Drange ≤ 10 Dant. Este es el rango alrededor del cual la
capacidad resonante o acoplamiento inductivo puede transferir
cantidades prácticas de energía
Campos lejanos o regiones radiativas: más allá de aproximadamente 1 longitud de
onda (λ) de la antena, los campos eléctricos y magnéticos son perpendiculares a
cada uno y se propagan como ondas electromagnéticas; algunos ejemplos son
las ondas de radio, microondas, o las ondas de luz. Esta parte de la energía es
radiativa, lo que significa que deja la antena haya o no un receptor que la absorba.
La porción de energía la cual no golpea la antena receptora es disipada y perdida.
La cantidad de energía emitida como ondas electromagnéticas por una antena
depende del tamaño del radio de la antena Dant para la longitud de onda de las
ondas λ, la cual es determinada por la frecuencia: λ = c/f. En bajas
frecuencias f donde la antena es mucho más pequeña que el tamaño de las
ondas, Dant << λ, muy poca energía es irradiada. Por lo tanto, los dispositivos de

9. campo cercano de arriba, los cuales usan frecuencias más bajan, no irradian casi
nada de su energía como radiación electromagnética. Las antenas de
aproximadamente el mismo tamaño que en la longitud de ondas Dant ≈ λ tales
como las antenas de un polo o dos polos, irradian energía eficientemente, pero las
ondas electromagnéticas son irradiadas en todas direcciones, así, si la antena
receptora está lejos, sólo una pequeña cantidad de la radiación la golpeará. Por lo
tanto, estas pueden ser usadas para transmisiones de energía ineficientes de
corto rango pero no para transmisiones de gran rango.
Sin embargo, a diferencia de los campos, la radiación electromagnética puede ser
concentrada por Reflexión o Refracción en haces. Mediante el uso de una antena
de alta-ganancia o un sistema óptico el cual concentre la radiación en un haz
estrecho dirigido en el receptor, puede ser usado para transmisiones de energía
de gran rango. Desde el criterio de Rayleigh, para producir los haces estrechos
necesarios para concentrar una cantidad significativa de energía en un receptor
distante, la antena debe ser mucho más larga que la longitud de onda de las
ondas usadas: Dant >> λ = c/f. Unos dispositivos de "haces de energía" prácticos,
requieren de una longitud de ondas en la región de un centímetro o menor,
correspondiente a frecuencias por encima de 1 GHz, en el rango de
las microondas o mayor.

10. 4. Técnicas de campo cercano o no radioactivas
Los componentes de campos cercanos de campos eléctricos y magnéticos
desaparecen rápidamente más allá de una distancia de alrededor de un diámetro
de la antena (Dant). Fuera de rangos muy cercanos, la fuerza del campo y
acoplamiento es aproximadamente proporcional a (Drange/Dant)−3
. Puesto que la
energía es proporcional al cuadrado de la intensidad del campo, la energía
transferida disminuye con la sexta parte de la distancia de la energía
(Drange/Dant)−6
. o 60 dB por década. En otras palabras, duplicar la distancia entre el
emisor y receptor, causa que la energía recibida disminuya por el factor de 26
=
64.
4.1 Acoplamiento inductivo
Esta técnica de transmisión inalámbrica se basa en el uso de un campo
magnético generado por una corriente eléctrica para inducir una corriente en un
segundo conductor. Este efecto se produce en el campo electromagnético
cercano, con el secundario en estrecha proximidad al primario. A medida que
aumenta la distancia desde el primario, más y más el campo magnético del
primario esquiva al secundario Incluso en un rango relativamente corto el
acoplamiento inductivo es muy ineficiente, perdiendo mucha de la energía
transmitida.
La técnica de inducción electrodinámica de transmisión inalámbrica se basa en el
uso de un campo magnético generado por una corriente eléctrica para inducir una
corriente en un segundo conductor. Este efecto ocurre en el campo cercano de
energía electromagnética, con el secundario, cercano al primario. Como la
distancia desde el primario fue incrementada, más y más del campo
electromagnético del primario esquiva al secundario. Incluso alrededor de un
relativo corto rango, el acoplamiento inductivo es gravemente ineficiente,
desperdiciando mucha de la energía transmitida.
Esta acción de un transformador eléctrico es la más sencilla forma de transmisión
de energía inalámbrica. La bobina primaria y la bobina secundaria de un

11. transformador no están directamente conectadas; cada bobina es parte de un
circuito separado. La transferencia de energía toma lugar a través de un proceso
conocido como inducción mutua. Las principales funciones son pasar el voltaje
primario ya sea hacia arriba o hacia abajo y el aislamiento eléctrico. Los
cargadores de cepillos dentales eléctricos y teléfonos móviles, son ejemplos de
cómo es usado este principio. La Cocina de inducción utiliza este método. El
principal inconveniente de este método básico de transmisión de energía es el
corto rango. El receptor debe estar directamente adyacente al transmisor o unidad
de inducción a fin de que se acople eficientemente con él.
Los usos comunes de la inducción electrodinámica de resonancia mejorada son
cargar la batería de dispositivos portátiles tales teléfonos celulares y computadora,
implantes biomédicos y vehículos eléctricos. Una técnica de carga
localizada seleccionando la bobina transmisora apropiada en una estructura con
matriz multicapa. La resonancia es usada en ambas almohadillas de carga
inalámbrica (el circuito transmisor) y el módulo receptor (incrustado en la carga)
para maximizar la transferencia de energía. Los dispositivos de pilas equipados
con un módulo receptor especial pueden ser cargados simplemente con colocarlos
en una almohadilla de carga inalámbrica. Esto ha sido adoptado como parte del Qi
(estándar de electricidad por inducción).
Esta tecnología también es
utilizada para los dispositivos
eléctricos con bajos
requerimientos de energía,
tales como los
parches RFID y las tarjetas
inteligentes sin contacto. En
lugar de confiar en que cada
uno de los muchos miles o
millones de parches RFDI o
tarjetas inteligentes contengan

12. una batería en trabajo constante, la inducción electrodinámica puede proveer
energía sólo cuando los dispositivos se encuentren cerca.
Conclusión
En los últimos años hemos estado utilizando la electricidad mediante la utilización
de cables, pero gracias a Witricity, podremos ir diciendo adiós a ese método. La
aplicación de éste nuevo método de electricidad es bastante amplia, como por
ejemplo en casa, todos los electrodomésticos sin cables y al alcance de cualquier
rincón de la casa. Sin embargo aún no está desarrollada a su máximo potencial,
puesto que apenas empieza su desarrollo. Podemos decir que estos avances
tecnológicos hacen justicia histórica hacia los descubrimientos de Nikola Tesla, sin
duda una mente brillante.
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