無線充電:跟電線說再見

作者 | 發布日期 2014 年 12 月 14 日 6:00 | 分類 尖端科技 , 能源科技
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誰說充電一定要接電線?只要讓手機和充電器「心電感應」一下,就可以充電了!一起來認識「無線充電」的原理吧!



每次要幫手機、電腦,或者其他各種電器充電時,總是要接一條充電線,充電線一多,還常常接錯,實在非常麻煩。幸好,現在愈來愈多的電子產品,開始使用「無線充電」的技術了!只要優雅的將手機放在一個小小的、像杯墊一樣的東西上面,不必接線就能輕鬆充電,這麼厲害的科技背後有什麼原理呢?讓我們一起來探究其中奧妙。

 

電與磁的交互作用

一般見到的無線充電,運用的是「電流磁效應」和「電磁感應」的原理。1819 年,丹麥科學家厄斯特觀察到一段導線上如果通有電流,四周將會產生磁場,可以讓指北針偏轉。後人則進一步發現,將導線圍成環狀,甚至繞成線圈,產生的磁場將會更強、更集中,這稱為「電流磁效應」。

至於電磁感應,則是在 1831 年由法拉第發現的。讓一塊磁鐵或其他的磁場來源靠近一段沒有電流的線圈,線圈上就會產生「感應電流」,稱為「電磁感應」。值得注意的是,電磁感應的成立要件是磁場要有「變化」,例如磁鐵愈來愈靠近 (愈來愈遠離其實也可以)。外加磁場若是一直保持不變,是不會有感應電流的。

總而言之,電流磁效應就是電流的流動在四周產生磁場,電磁感應則是不斷變化的外加磁場使線圈產生感應電流。

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利用電磁感應來充電

這兩種物理現象同時運用,就可以進行無線充電。目前的無線充電設備,都包含一個「充電座」,裡面其實正是線圈。將充電座接到家用插頭後,線圈周圍會因為電流磁效應而產生磁場。要充電的電子產品,裡面也都有一個線圈,當它靠近充電座時,充電座的磁場將透過電磁感應,在電子產品的線圈上產生感應電流。感應電流導引到電池,就完成了充電座和電子產品間的無線充電。

你可能會問,磁場不是要改變才能有電磁感應嗎?可是充電座與充電的對象距離卻始終保持不變,這樣為何會有電磁感應呢?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,一會兒順著流,一會兒反著流。正因為如此,充電座線圈產生的磁場隨之不斷在變換方向,並非保持不變,符合電磁感應的要件。

近來愈來愈多智慧型手機、平板電腦開始提供無線充電的功能,但是不幸的是,它們充電的時候,只要離充電座的距離稍遠一些,充電效率就會明顯下降。即便是最新的技術,充電距離也不能超過 5 公分,事實上,目前絕大部分可以無線充電的行動裝置,都是要完全平放在充電座上才能進行,和想像中隨走隨充的無線充電仍有點差別。

 

利用共振拉長充電距離

為了增加無線充電的距離與充電效率,科學家正在設法利用「磁共振」的原理進行無線充電。在電路中加入一些電容、電感等特殊的元件,適當連接後,會形成「諧振電路」。這就好像樂器行一定會有的調音工具──音叉一樣。輕敲音叉一次,它可以持續振動一段時間,同樣的,對諧振電路短暫通電,電路中也會產生維持一段時間的訊號。

音叉具有「共振」這種有趣的物理性質。每支音叉都有自己的發聲頻率,當一支音叉振動發聲時,若附近有另一支發聲頻率相同的音叉,即使它沒有直接受到敲擊,也會跟著振動。音叉的共振可以說達成了能量的傳遞。諧振電路也可以共振,兩個振動頻率相同的諧振電路放在一起,其中一個開始因為通電而振盪時,另一個電路也會跟著振盪起來,「自動」產生電流,電能就這樣被隔空傳送了。這樣的現象稱為「磁共振」,用來進行無線充電,可以讓充電距離達到數公尺,效率也有所提升。唯一的困難就是,要將兩個電路調整到一模一樣的頻率,並且維持一段時間,並不是容易的事。

除了磁共振之外,也有科學家嘗試藉由雷射光的光能來充電,甚至是將電能透過和家用的 Wifi 網路相近的電波頻段來傳送。希望這些技術的突破,能讓我們未來在充電時更加方便!

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更多詳細內容請參閱《科學少年》2014 年 12.1 月號

(首圖來源:Flickr/New IWAS-4832EC-50 Wireless Charging Receiving Coil BY CC2.0)

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