无线充电:跟电线说再见

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无线充电:跟电线说再见

谁说充电一定要接电线?只要让手机和充电器「心电感应」一下,就可以充电了!一起来认识「无线充电」的原理吧!

每次要帮手机、电脑,或者其他各种电器充电时,总是要接一条充电线,充电线一多,还常常接错,实在非常麻烦。幸好,现在愈来愈多的电子产品,开始使用「无线充电」的技术了!只要优雅的将手机放在一个小小的、像杯垫一样的东西上面,不必接线就能轻鬆充电,这幺厉害的科技背后有什幺原理呢?让我们一起来探究其中奥妙。

电与磁的交互作用

一般见到的无线充电,运用的是「电流磁效应」和「电磁感应」的原理。1819 年,丹麦科学家厄斯特观察到一段导线上如果通有电流,四周将会产生磁场,可以让指北针偏转。后人则进一步发现,将导线围成环状,甚至绕成线圈,产生的磁场将会更强、更集中,这称为「电流磁效应」。

至于电磁感应,则是在 1831 年由法拉第发现的。让一块磁铁或其他的磁场来源靠近一段没有电流的线圈,线圈上就会产生「感应电流」,称为「电磁感应」。值得注意的是,电磁感应的成立要件是磁场要有「变化」,例如磁铁愈来愈靠近 (愈来愈远离其实也可以)。外加磁场若是一直保持不变,是不会有感应电流的。

总而言之,电流磁效应就是电流的流动在四周产生磁场,电磁感应则是不断变化的外加磁场使线圈产生感应电流。

无线充电:跟电线说再见

利用电磁感应来充电

这两种物理现象同时运用,就可以进行无线充电。目前的无线充电设备,都包含一个「充电座」,里面其实正是线圈。将充电座接到家用插头后,线圈周围会因为电流磁效应而产生磁场。要充电的电子产品,里面也都有一个线圈,当它靠近充电座时,充电座的磁场将透过电磁感应,在电子产品的线圈上产生感应电流。感应电流导引到电池,就完成了充电座和电子产品间的无线充电。

你可能会问,磁场不是要改变才能有电磁感应吗?可是充电座与充电的对象距离却始终保持不变,这样为何会有电磁感应呢?原来,家用插座中流出的电是「交流电」,也就是说电流的方向不断的交替变化,一会儿顺着流,一会儿反着流。正因为如此,充电座线圈产生的磁场随之不断在变换方向,并非保持不变,符合电磁感应的要件。

近来愈来愈多智慧型手机、平板电脑开始提供无线充电的功能,但是不幸的是,它们充电的时候,只要离充电座的距离稍远一些,充电效率就会明显下降。即便是最新的技术,充电距离也不能超过 5 公分,事实上,目前绝大部分可以无线充电的行动装置,都是要完全平放在充电座上才能进行,和想像中随走随充的无线充电仍有点差别。

利用共振拉长充电距离

为了增加无线充电的距离与充电效率,科学家正在设法利用「磁共振」的原理进行无线充电。在电路中加入一些电容、电感等特殊的元件,适当连接后,会形成「谐振电路」。这就好像乐器行一定会有的调音工具──音叉一样。轻敲音叉一次,它可以持续振动一段时间,同样的,对谐振电路短暂通电,电路中也会产生维持一段时间的讯号。

音叉具有「共振」这种有趣的物理性质。每支音叉都有自己的发声频率,当一支音叉振动发声时,若附近有另一支发声频率相同的音叉,即使它没有直接受到敲击,也会跟着振动。音叉的共振可以说达成了能量的传递。谐振电路也可以共振,两个振动频率相同的谐振电路放在一起,其中一个开始因为通电而振荡时,另一个电路也会跟着振荡起来,「自动」产生电流,电能就这样被隔空传送了。这样的现象称为「磁共振」,用来进行无线充电,可以让充电距离达到数公尺,效率也有所提升。唯一的困难就是,要将两个电路调整到一模一样的频率,并且维持一段时间,并不是容易的事。

除了磁共振之外,也有科学家尝试藉由雷射光的光能来充电,甚至是将电能透过和家用的 Wifi 网路相近的电波频段来传送。希望这些技术的突破,能让我们未来在充电时更加方便!

无线充电:跟电线说再见

更多详细内容请参阅《科学少年》2014 年 12.1 月号

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