无线充电背后藏了哪些历史悠久的物理学?

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无线充电背后藏了哪些历史悠久的物理学?

我的手机已经服役好几年了,因此,在上个星期,我买了一部新手机,是的,就是图中的这部。这部手机是可以进行无线充电的。儘管它的充电效率比传统插拔式充电效率低,但是对于一个物理控来说,它的吸引力太大了。

虽然无线充电充满了未来感,但是事实上这在物理学上并不是新概念。由于物理学之神特斯拉,这项技术曾经让人们惊奇,但是事实上其背后的物理学却已经有超过一个世纪的历史,而发明这项技术的人也是应该受到大家尊重的科学怪人。

无线充电的核心其实就是电磁感应,即变化的磁场会产生电场。如果你有一个磁铁,并且摇一摇,那幺其附近的电荷就会开始运动。这里面最让人值得注意的是,通过变化的磁场产生的电场和静电荷产生的电场具有不同的性质。静止电荷产生的电场可以让电荷从 A 运动到 B 点,但是变化磁场产生的电场却是闭合的,因此电荷会从 A 点运动到 B 点后再返回到 A 点。只要你有一个变化的磁场,那幺在其周围的闭合导线中你就可以产生电流,而这种电流也非常有用,例如为手机电池充电等。只要你维持磁场的变化,那幺电流就会一直存在。

无线充电背后藏了哪些历史悠久的物理学?

那幺如何才能产生变化的磁场呢?最经典的办法就是旋转磁体或线圈。一个磁场有确定的方向,当你改变磁场的相对方向时,其磁场的相对强度也会发生变化。因此在闭合线圈附近的旋转的磁铁就会产生一个一直变化的磁场,从而在闭合线圈中产生电流。这就是大多数商业电能产生的基础。水力发电通过水流来转动涡轮机,而煤、天然气或者核能则通过加热水成蒸汽来推动涡轮机旋转。

当然,对于我的手机来说,这里并没有足够大的空间来放置一个涡轮机。相反,它利用的是已经产生的电能。通过家中的电能,这种充电器可以使得小线圈中的电流不断振蕩,从而产生震荡的磁场,使得内置于手机中的闭合线圈产生电流,产生的电流就可以用于为电池充电。事实上,这种装置是特斯拉曾经提出的供电技术方案中的一个,但是这个想法却可以追溯到 1820 年代,由鼎鼎大名的法拉第提出。

法拉第是 19 世纪最伟大的科学家之一,他对物理学和化学都有不朽的贡献。他最重要的贡献包括感应电动势的发现和对于变化磁场产生电场的描述,即众所周知的「法拉第定律」。当接触到奥斯特的工作时,法拉第着实感到非常震惊。法拉第推测这种影响应该是双向的,并且设计了一个实验来表明磁铁可以让电流运动起来——在盛有水银的盘子下方放置一个磁铁来使得载流线圈发生旋转。经过数十个后续实验,人们明白了通过将磁铁在线圈中来回穿过也可以观察到感应电流。

正如前文所提到的,法拉第是非常值得尊敬的科学家,更具体地说主要是由于他的伟大的实验。我们现在的关于电场和磁场的想法都可以追溯到法拉第,他在进行电磁实现讨论时用到了磁力线来充满磁场空间。然而他的这种想法在当时并没有引起太大的重视,很大一部分原因是由于法拉第的背景决定的——他的家庭非常贫穷,并没有接受过正规的教育,从而使得他表述问题的方式或许并不是那幺科学。直到 1860 年代,Maxwell's 吸纳了法拉第的观点,并且和其他理论一起,形成了完整的电磁波理论。

无线充电背后藏了哪些历史悠久的物理学?

因此,当人们向我介绍他们的理论是源于爱因斯坦的啓发时,我真的很想建议他们看看法拉第的工作。爱因斯坦有非常深厚的数学底子,且接受了非常正规的教育。如果你想要从历史上寻找一位提出了非常卓越的见解,而且最终被证明是正确的,同时又没有用到微积分的话,法拉第就是这样的一位。

如果无线充电技术背后的物理知识可以追溯到两百年前的话,那幺为什幺这项技术直到今天还是不够成熟呢?其实主要还是受材料的制约。

正如我们所知,通过变化磁场产生的电流强度受磁场强度的影响很大,而磁场随着距离的变化特别大。这意味着感应无线充电技术将会比插拔式充电技术的效率要低很多。你也可以通过一些技术手段来提高无线充电技术的效率,例如可以使用多个线圈同时振蕩等,但是你需要让感应线圈尽可能地靠近磁场源。这也就是为什幺每次我将手机靠近充电器时,我需要仔细寻找最佳充电位置。

无线充电背后藏了哪些历史悠久的物理学?

由于材料和製造技术的发展,我们已经可以製造足够小的线圈来产生足够的电场和接收感应电流,从而使得无线充电在今天已经成为可能。回到 1800 年代,法拉第需要一个巨型电磁铁来实现他的发现,而特斯拉关于无线输电的设想也涉及到巨大的高塔。多亏了研究人员在那些看起来并不有趣的领域的不断研究,才使得这些技术进步一点点累积起来,使得这一切成为可能。

正是革命性的洞察力和辛勤劳动的相互融合,才产生了我现在正在使用的新装置。

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