電磁感應與無線充電

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。無線充電技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)在很多手機的一個熱門買點，本文通過應用高中物理知識，對無線充電技術(shù)做出了簡要的分析和介紹。一方面揭開無線充電技術(shù)的神秘面紗，另一方面也展示出對所學知識靈活運用的重要性。

關(guān)鍵詞：電磁感應；物理；無線充電技術(shù)；原理

無線充電的概念雖說是最近這兩年逐漸火起來的一個技術(shù)熱點，但是其設想和技術(shù)最早可以追溯到1890年，交流電的發(fā)明者、著名物理學家尼古拉·特斯拉。他大膽設想將地球作為導體，借助放大發(fā)射機通過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，進而利用環(huán)繞地球的表面電磁波來傳輸能量。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)實現(xiàn)能量廣播和免費共享在現(xiàn)在到未來的一個時期內(nèi)還是比較難以實現(xiàn)的。

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

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

當前無線充電的方式主要包括四種：電磁感應式、磁共振式、電場耦合式和電波接收式。其中電磁感應的原理是我們高中物理所熟知的一個知識點，并且電磁感應式無線充電技術(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式無線充電技術(shù)予以討論。

一、電磁感應

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

而電磁感應指的是由于磁通量變化而產(chǎn)生感應電動勢的現(xiàn)象。電磁感應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，是近代物理領(lǐng)域中當之無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的電能，帶來了一場重大的工業(yè)和技術(shù)的革命。

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

二、無線充電技術(shù)

如圖2所示，是電磁感應無線充電的簡單示意圖。可以假設左側(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)成一個電磁耦合感應器，發(fā)射線圈由于接入的交流電的不斷震蕩而產(chǎn)生磁場，進而通過線圈耦合使得接收的線圈中產(chǎn)生相應的電壓。無線充電技術(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)送和接收兩端通過串接諧振電容都默認為最佳諧振狀態(tài)，則此時發(fā)送端和接收端能量為最高傳輸效率：

可知，線圈耦合與初級感應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)。

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

三、總結(jié)

通過上述介紹，我們了解到，現(xiàn)在看似科技感十足的無線充電技術(shù)的基礎(chǔ)理論其實就是我們所熟悉的電磁感應定律。其實對于我們目前所學習的只是而言，每一個定理、每一個物理現(xiàn)象，只要深入去思考挖掘我們都會打開一片全新的天地，這也是我們對知識深入學習的樂趣所在。

作者簡介：

施建喆（1997-），男，漢族，山西人，保定一中學生。