電磁感應(yīng)與無(wú)線充電

摘 要：隨著科技的發(fā)展，我們?nèi)粘＝佑|到的技術(shù)產(chǎn)品也飛速的更新?lián)Q代，曾經(jīng)很多只存在于想象中的產(chǎn)品已經(jīng)逐漸走入了我們的生活。無(wú)線充電技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)在很多手機(jī)的一個(gè)熱門買點(diǎn)，本文通過(guò)應(yīng)用高中物理知識(shí)，對(duì)無(wú)線充電技術(shù)做出了簡(jiǎn)要的分析和介紹。一方面揭開無(wú)線充電技術(shù)的神秘面紗，另一方面也展示出對(duì)所學(xué)知識(shí)靈活運(yùn)用的重要性。

關(guān)鍵詞：電磁感應(yīng)；物理；無(wú)線充電技術(shù)；原理

無(wú)線充電的概念雖說(shuō)是最近這兩年逐漸火起來(lái)的一個(gè)技術(shù)熱點(diǎn)，但是其設(shè)想和技術(shù)最早可以追溯到1890年，交流電的發(fā)明者、著名物理學(xué)家尼古拉·特斯拉。他大膽設(shè)想將地球作為導(dǎo)體，借助放大發(fā)射機(jī)通過(guò)徑向電磁波振蕩的模式，在地球與地球電離層之間建立起約8Hz的低頻共振，進(jìn)而利用環(huán)繞地球的表面電磁波來(lái)傳輸能量。雖然現(xiàn)在人們已經(jīng)從理論上證明其方案的可行性，但在世界范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)能量廣播和免費(fèi)共享在現(xiàn)在到未來(lái)的一個(gè)時(shí)期內(nèi)還是比較難以實(shí)現(xiàn)的。

特斯拉可謂是一個(gè)超越時(shí)代的科學(xué)家、發(fā)明家，現(xiàn)代對(duì)于無(wú)線電能傳輸?shù)难芯侩S著科技社會(huì)飛速發(fā)展，已經(jīng)逐步步入到試用階段。2007年，麻省理工大學(xué)發(fā)布研究成果；通過(guò)利用銅制線圈形成的電磁共振器實(shí)現(xiàn)了電能的無(wú)線傳輸。

2014年，美國(guó)電腦廠商DELL公司推出了可以無(wú)線充電的筆記本電腦，近兩年無(wú)線充電功能的智能手機(jī)產(chǎn)品更可謂多種多樣。并且無(wú)線充電技術(shù)也已經(jīng)在新能源汽車領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了初步的運(yùn)用，我國(guó)的中興公司在這方面也有著較為成熟的研究。

當(dāng)前無(wú)線充電的方式主要包括四種：電磁感應(yīng)式、磁共振式、電場(chǎng)耦合式和電波接收式。其中電磁感應(yīng)的原理是我們高中物理所熟知的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，并且電磁感應(yīng)式無(wú)線充電技術(shù)也是現(xiàn)在市面上比較成熟的一種技術(shù)，所以本文主要就電磁感應(yīng)式無(wú)線充電技術(shù)予以討論。

一、電磁感應(yīng)

電磁感應(yīng)現(xiàn)象是由法拉第在1831年發(fā)現(xiàn)的，通俗的來(lái)說(shuō)就是：變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，是一個(gè)磁與電之間的相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)化的關(guān)系。我們知道，電磁感應(yīng)有兩個(gè)必要條件，即閉合電路和穿過(guò)閉合電路的磁通量發(fā)生變化。

而電磁感應(yīng)指的是由于磁通量變化而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，是近代物理領(lǐng)域中當(dāng)之無(wú)愧的最偉大的成就之一。其發(fā)現(xiàn)不僅揭示出電與磁之間的內(nèi)在聯(lián)系，并且為電、磁之間相互轉(zhuǎn)化奠定了基礎(chǔ)，使得人類獲取巨大而廉價(jià)的電能，帶來(lái)了一場(chǎng)重大的工業(yè)和技術(shù)的革命。

現(xiàn)代電工、電子技術(shù)、電氣化、自動(dòng)化等諸多方面的廣泛應(yīng)用，使其推動(dòng)社會(huì)生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，造就了我們?nèi)缃瘳F(xiàn)代化的社會(huì)。

二、無(wú)線充電技術(shù)

如圖2所示，是電磁感應(yīng)無(wú)線充電的簡(jiǎn)單示意圖?？梢约僭O(shè)左側(cè)AC（電壓源）電壓為Us， 電路的諧振頻率為ω；i1和i2則分別為發(fā)送線圈與接收線圈的電流，Z1 和 Z2 發(fā)送線圈和接收線圈阻抗；R1和R2分別代表電路的等效電阻；發(fā)送線圈串聯(lián)共振電容為C1；接收線圈串聯(lián)共振電容為C2；L1、L2分別為發(fā)送線圈電感和接收線圈電感；M為發(fā)送和接收線圈之間互感；負(fù)載為RL。

其基本原理在于由發(fā)射線圈和接收線圈構(gòu)成一個(gè)電磁耦合感應(yīng)器，發(fā)射線圈由于接入的交流電的不斷震蕩而產(chǎn)生磁場(chǎng)，進(jìn)而通過(guò)線圈耦合使得接收的線圈中產(chǎn)生相應(yīng)的電壓。無(wú)線充電技術(shù)的效率取決于線圈之間的耦合系數(shù)（常用K表示）和線圈的品質(zhì)因數(shù)（常表示為Q）。理想狀態(tài)下發(fā)送和接收兩端通過(guò)串接諧振電容都默認(rèn)為最佳諧振狀態(tài)，則此時(shí)發(fā)送端和接收端能量為最高傳輸效率：

可知，線圈耦合與初級(jí)感應(yīng)線圈間的距離和其直徑的比值有關(guān)，同樣也與線圈的形狀和兩線圈間的角度有關(guān)。

無(wú)線充電的實(shí)際效率可表示為上式，可以看到，影響無(wú)線傳輸效率的因素有：線圈外徑、線圈匝數(shù)、導(dǎo)線寬度、線圈纏繞方向、以及線圈的相對(duì)位置變化。

三、總結(jié)

通過(guò)上述介紹，我們了解到，現(xiàn)在看似科技感十足的無(wú)線充電技術(shù)的基礎(chǔ)理論其實(shí)就是我們所熟悉的電磁感應(yīng)定律。其實(shí)對(duì)于我們目前所學(xué)習(xí)的只是而言，每一個(gè)定理、每一個(gè)物理現(xiàn)象，只要深入去思考挖掘我們都會(huì)打開一片全新的天地，這也是我們對(duì)知識(shí)深入學(xué)習(xí)的樂(lè)趣所在。

作者簡(jiǎn)介：

施建喆（1997-），男，漢族，山西人，保定一中學(xué)生。