小物和小理的物理對話錄(101)
——電與磁的交織之“隔空傳電”

楊艷霞 晁 蒙 孟衛東正高級教師

(清華大學附屬中學永豐學校)

前言:小物和小理是兩名普通的高中生,他們酷愛物理,在學習物理的過程中,小物經常向小理提出許多刁鉆而有趣的物理問題,了解他們的故事也能讓你的物理達到新的高度.

1 對話錄

小物:無線充電技術已經成為當今主流手機的標配,不需要連接數據線,只需要把手機輕輕放到充電器底座上,就可以直接傳送電能,這是為什么呢?

小理:為了更好地理解這個問題,需要知道無線充電的原理,你還記得物理課中學的電磁感應現象嗎?

小物:電磁感應揭示的是磁與電之間的轉化關系,繼奧斯特通過實驗發現電流的磁效應后,法拉第深受啟發,堅信磁與電之間也應該有類似的效應.經過數十年的探索,法拉第發現,“磁生電”是一種在變化的過程中才會顯現的現象,并將這些現象稱為電磁感應.

小理:看來你非常熟悉中學物理教材啊! 電磁感應進一步揭示了電和磁之間的緊密關系,即電生磁和磁生電.在一定條件下,電能和磁場能是可以相互轉換的,這正是無線充電所依據的原理.

小物:你能具體給我講講無線充電是如何實現的嗎?

2 小理的解釋

無線充電是通過電磁波來實現隔空傳輸電能的.目前主流的三種充電方式是電磁感應式、磁共振式和無線電波式,前兩種所依據的原理相似,統稱為“電磁耦合無線充電”,也是目前使用比較多的無線充電方式.

圖1 無線充電示意圖

圖2 電磁感應式無線充電原理

對于無線能量傳輸系統,通常把線圈看作場源,距離場源越近的區域,磁場強度越大,磁場的變化也越快,通過電能和磁場能在兩個系統中的轉化,實現能量的傳輸.電磁感應無線充電技術采用磁路交流電路,實現緊耦合式的能量傳輸.由于其緊耦合結構,能量傳輸距離比較短,而且對充電設備的擺放位置有較嚴格的要求,要實現能量的穩定高效傳輸,接收端線圈和發射端線圈必須共軸,兩個線圈的位置稍有偏差,充電的效率就會受到嚴重的影響,自由度比較低.

理論計算表明,當兩個系統具有相同的諧振頻率時,它們之間具有最大的能量轉換效率,當諧振頻率不相等時,能量轉換率較低.因此設法使發射端和接收端具有相等的振動頻率,通過頻率共振來轉換能量,可以有效提高無線充電系統的能量傳輸效率.磁共振無線充電使用調諧技術,使接收端線圈和發射端線圈具有相同的固有頻率,通過兩個系統的頻率共振實現強耦合,可以極大提高能量的轉換率,使得系統具有更高的能量傳輸效率.

磁共振無線充電系統主要包括初級電路、耦合電路和次級電路這三個部分(如圖3).

圖3 磁共振式無線充電原理

其中,初級電路主要由整流和高頻逆變這兩個模塊組成;耦合電路主要由線圈和諧振電容組成;次級電路由負載和整流濾波模塊組成.耦合電路中,發射端線圈和接收端線圈都和補償電容串流,通過補償電容的作用,使兩個線圈的固有頻率與電路頻率相等,從而實現頻率共振.一定頻率的交流電通過初級電路的整流、逆變,轉化為正弦波,該正弦式交變電流通過耦合電路中的發射端線圈后,產生交變磁場,交變磁場通過接收端線圈,產生交變電場,該交變電場被接收器接收后形成正弦波,從而在耦合電路完成“電生磁”“磁生電”的過程.耦合電路形成的正弦波經過次級電路的整流、濾波,形成直流電壓輸送到負載,實現了發射端系統和接收端系統的無接觸充電.

由于磁共振式無線充電技術利用共振效應來傳輸能量,可以延長傳輸距離,并且發射系統和接收系統內線圈的位置不需要完全吻合,有較大的自由度,理論上可以做到邊走邊充,即只需要在路上鋪好無線充電系統,車輛就可以在路上邊行駛邊充電.但由于磁共振式無線充電技術難度大、成本高,所以目前并沒有被廣泛使用.

3 小物的感悟

“隔空傳送電能”,這個曾經在科幻電影里出現的“黑科技”早已存在于我們的日常生活中,而其所依據的原理竟然正是我們在高中物理課上學到的知識.聽完你的分析,我對電與磁在生活中的應用有了更深刻的認識.當今很多高新技術都是以物理學原理作為基礎的,學好數學、物理等基礎學科,對于理解科技的發展至關重要.