無線充電:電磁感應(yīng)和磁共振原理淺析
發(fā)布時(shí)間:2014-12-16 責(zé)任編輯:xueqi
【導(dǎo)讀】誰說充電一定要接電線?只要讓手機(jī)和充電器“心電感應(yīng)”一下,就可以充電了!這么厲害的科技背后有什么原理呢?讓我們一起來探究其中奧妙。
每次給手機(jī)、電腦,或者其他各種電器充電時(shí),總是要接一條充電線,充電線一多,還常常接錯(cuò),實(shí)在非常麻煩。幸好,現(xiàn)在愈來愈多的電子產(chǎn)品,開始使用“無線充電”的技術(shù)了!只要優(yōu)雅的將手機(jī)放在一個(gè)小小的、像杯墊一樣的東西上面,不必接線就能輕松充電,這么厲害的科技背后有什么原理呢?讓我們一起來探究其中奧妙。
一般見到的無線充電,運(yùn)用的是“電流磁效應(yīng)”和“電磁感應(yīng)”的原理。1819年,丹麥科學(xué)家厄斯特觀察到一段導(dǎo)線上如果通有電流,四周將會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),可以讓指北針偏轉(zhuǎn)。后人則進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),將導(dǎo)線圍成環(huán)狀,甚至繞成線圈,產(chǎn)生的磁場(chǎng)將會(huì)更強(qiáng)、更集中,這稱為“電流磁效應(yīng)”。
電與磁的交互作用
一般見到的無線充電,運(yùn)用的是“電流磁效應(yīng)”和“電磁感應(yīng)”的原理。1819年,丹麥科學(xué)家厄斯特觀察到一段導(dǎo)線上如果通有電流,四周將會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),可以讓指北針偏轉(zhuǎn)。后人則進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),將導(dǎo)線圍成環(huán)狀,甚至繞成線圈,產(chǎn)生的磁場(chǎng)將會(huì)更強(qiáng)、更集中,這稱為“電流磁效應(yīng)”。
而另一個(gè)人們更加關(guān)心的問題,即:如何用磁來生電,則是經(jīng)過了12年不懈的研究,在1831年由法拉第發(fā)現(xiàn)的。讓一塊磁鐵或其他的磁場(chǎng)來源靠近一段沒有電流的線圈,線圈上就會(huì)產(chǎn)生“感應(yīng)電流”,稱為“電磁感應(yīng)”。值得注意的是,電磁感應(yīng)的成立要件是磁場(chǎng)要有“變化”,例如磁鐵愈來愈靠近(愈來愈遠(yuǎn)離其實(shí)也可以)。外加磁場(chǎng)若是一直保持不變,是不會(huì)有感應(yīng)電流的。
總而言之,電流磁效應(yīng)就是電流的流動(dòng)在四周產(chǎn)生磁場(chǎng),電磁感應(yīng)則是不斷變化的外加磁場(chǎng)使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流。
利用電磁感應(yīng)來充電
這兩種物理現(xiàn)象同時(shí)運(yùn)用,就可以進(jìn)行無線充電。目前的無線充電設(shè)備,都包含一個(gè)“充座”,里面其實(shí)正是線圈。將充電座接到家用插頭后,線圈周圍會(huì)因?yàn)殡娏鞔判?yīng)而產(chǎn)生磁場(chǎng)。要充電的電子產(chǎn)品,里面也都有一個(gè)線圈,當(dāng)它靠近充電座時(shí),充電座的磁場(chǎng)將透過電磁感應(yīng),在電子產(chǎn)品的線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流導(dǎo)引到電池,就完成了充電座和電子產(chǎn)品間的無線充電。
你可能會(huì)問,磁場(chǎng)不是要改變才能有電磁感應(yīng)嗎?可是充電座與充電的對(duì)象距離卻始終保持不變,這樣為何會(huì)有電磁感應(yīng)呢?原來,家用插座中流出的電是“交流電”,也就是說電流的方向不斷的交替變化,一會(huì)兒順著流,一會(huì)兒反著流。正因?yàn)槿绱?,充電座線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)隨之不斷在變換方向,并非保持不變,符合電磁感應(yīng)的要件。
近來愈來愈多智能手機(jī)、平板電腦開始提供無線充電的功能,但是不幸的是,它們充電的時(shí)候,只要離充電座的距離稍遠(yuǎn)一些,充電效率就會(huì)明顯下降。即便是最新的技術(shù),充電距離也不能超過5公分,事實(shí)上,目前絕大部分可以無線充電的移動(dòng)設(shè)備,都是要完全平放在充電座上才能進(jìn)行,和想像中隨走隨充的無線充電仍有點(diǎn)差別。
利用共振拉長(zhǎng)充電距離
為了增加無線充電的距離與充電效率,科學(xué)家正在設(shè)法利用“磁共振”的原理進(jìn)行無線充電。在電路中加入一些電容、電感等特殊的元件,適當(dāng)連接后,會(huì)形成“諧振電路”。這就好像樂器行一定會(huì)有的調(diào)音工具──音叉一樣。輕敲音叉一次,它可以持續(xù)振動(dòng)一段時(shí)間,同樣的,對(duì)諧振電路短暫通電,電路中也會(huì)產(chǎn)生維持一段時(shí)間的訊號(hào)。
音叉具有“共振”這種有趣的物理性質(zhì)。每支音叉都有自己的發(fā)聲頻率,當(dāng)一支音叉振動(dòng)發(fā)聲時(shí),若附近有另一支發(fā)聲頻率相同的音叉,即使它沒有直接受到敲擊,也會(huì)跟著振動(dòng)。音叉的共振可以說達(dá)成了能量的傳遞。諧振電路也可以共振,兩個(gè)振動(dòng)頻率相同的諧振電路放在一起,其中一個(gè)開始因?yàn)橥姸袷帟r(shí),另一個(gè)電路也會(huì)跟著振蕩起來,“自動(dòng)”產(chǎn)生電流,電能就這樣被隔空傳送了。這樣的現(xiàn)象稱為“磁共振”,用來進(jìn)行無線充電,可以讓充電距離達(dá)到數(shù)公尺,效率也有所提升。唯一的困難就是,要將兩個(gè)電路調(diào)整到一模一樣的頻率,并且維持一段時(shí)間,并不是容易的事。
除了磁共振之外,也有科學(xué)家嘗試藉由激光光的光能來充電,甚至是將電能透過和家用的Wifi網(wǎng)絡(luò)相近的電波頻段來傳送。希望這些技術(shù)的突破,能讓我們未來在充電時(shí)更加方便!
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