電與磁的作用和原理

在探索無(wú)線充電技術(shù)原理之前，我們必須先來(lái)了解一下“電流磁效應(yīng)”和“電磁感應(yīng)”。

 

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)”。

 

1831 年法拉第發(fā)現(xiàn)，讓一塊磁鐵或其他的磁場(chǎng)來(lái)源靠近一段沒(méi)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)的成立條件是磁場(chǎng)要有“變化”，如磁鐵越來(lái)越近或越來(lái)越遠(yuǎn)。外加磁場(chǎng)若是一直保持不變，是不會(huì)有感應(yīng)電流的。 這兩種物理現(xiàn)象同時(shí)運(yùn)用，就可以進(jìn)行無(wú)線充電。目前的無(wú)線充電設(shè)備，都包含一個(gè)“充電座”，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)將通過(guò)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(wú)線充電。

 

人們可能會(huì)問(wèn)，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(lái)，家用插座中流出的電是“交流電”，也就是說(shuō)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)槿绱耍潆娮€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)的條件。

 

但是不幸的是，智能手機(jī)或平板電腦在充電的時(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(guò) 5 公分。

事實(shí)上，目前絕大部分可以無(wú)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(wú)線充電仍有點(diǎn)差別。

無(wú)線充電技術(shù)的主要種類

現(xiàn)階段，無(wú)線充電存在四種不同的方式：電磁感應(yīng)方式、電磁共振方式、電場(chǎng)耦合方式、無(wú)線電波方式。

其中用在手機(jī)無(wú)線充電的技術(shù)主要是電磁感應(yīng)技術(shù)和電磁共振技術(shù)，當(dāng)然，無(wú)線充電一旦突破技術(shù)壁壘，在以后的家電，以及發(fā)展勢(shì)頭正猛的電動(dòng)汽車上同樣具有非常廣闊的前景。

1.電磁感應(yīng)方式 

我們今天見(jiàn)到的各類無(wú)線充電技術(shù)，大多是采用電磁感應(yīng)技術(shù)，我們可以將這項(xiàng)技術(shù)看作是分離式的變壓器。

我們知道，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的變壓器由一個(gè)磁芯和二個(gè)線圈(初級(jí)線圈、次級(jí)線圈)組成；當(dāng)初級(jí)線圈兩端加上一個(gè)交變電壓時(shí)，磁芯中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，從而在次級(jí)線圈上感應(yīng)一個(gè)相同頻率的交流電壓，電能就從輸入電路傳輸至輸出電路。

如果將發(fā)射端的線圈和接收端的線圈放在兩個(gè)分離的設(shè)備中，當(dāng)電能輸入到發(fā)射端線圈時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)感應(yīng)到接收端的線圈、就產(chǎn)生了電流，這樣我們就構(gòu)建了一套無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)。

這套系統(tǒng)的主要缺陷在于，磁場(chǎng)隨著距離的增加快速減弱，一般只能在數(shù)毫米至10厘米的范圍內(nèi)工作，加上能量是朝著四面八方發(fā)散式的，因此感應(yīng)電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于輸入電流，能源效率并不高。但對(duì)于近距離接觸的物體這就不存在問(wèn)題了。

最早利用這一原理的無(wú)線充電產(chǎn)品是電動(dòng)牙刷——電動(dòng)牙刷由于經(jīng)常接觸到水，所以采用無(wú)接點(diǎn)充電方式，可使得充電接觸點(diǎn)不暴露在外，增強(qiáng)了產(chǎn)品的防水性，也可以整體水洗。

在充電插座和牙刷中各有一個(gè)線圈，當(dāng)牙刷放在充電座上時(shí)就有磁耦合作用，利用電磁感應(yīng)的原理來(lái)傳送電力，感應(yīng)電壓經(jīng)過(guò)整流后就可對(duì)牙刷內(nèi)部的充電電池充電。

 

電磁感應(yīng)方式的特點(diǎn)是傳輸距離短、使用位置相對(duì)固定，但是能量效率較高、技術(shù)簡(jiǎn)單，很適合作為無(wú)線充電技術(shù)使用。

2.電磁共振方式 

與電磁感應(yīng)方式相比，電磁共振技術(shù)在距離上就有了一定的寬容度，它可以支持?jǐn)?shù)厘米至數(shù)米的無(wú)線充電，使用上更加靈活。

電磁共振同樣要使用兩個(gè)規(guī)格完全匹配的線圈，一個(gè)線圈通電后產(chǎn)生磁場(chǎng)，另一個(gè)線圈因此共振、產(chǎn)生的電流就可以點(diǎn)亮燈泡或者給設(shè)備充電。

除了距離較遠(yuǎn)外，電磁共振方式還可以同時(shí)對(duì)多個(gè)設(shè)備進(jìn)行充電，并且對(duì)設(shè)備的位置并沒(méi)有嚴(yán)格的限制，使用靈活度在各項(xiàng)技術(shù)中居于榜首。

在傳輸效率方面，電磁共振方式可以達(dá)到40%～60%，雖然相對(duì)較低但也進(jìn)入商用化沒(méi)有任何問(wèn)題。電磁共振方式將電能以電磁波“射頻”或非輻射性諧振“磁共振”等形式傳輸，它具有較高的效率和非常好的靈活性，是目前業(yè)內(nèi)的開(kāi)發(fā)重點(diǎn)。

3.電磁耦合方式

相對(duì)于傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)式，電場(chǎng)耦合方式有三大優(yōu)點(diǎn)：充電時(shí)設(shè)備的位置具備一定的自由度；電極可以做得很薄、更易于嵌入；電極的溫度不會(huì)顯著上升，對(duì)嵌入也相當(dāng)有利。

首先在位置方面，雖然它的距離無(wú)法像磁共振那樣能達(dá)到數(shù)米的長(zhǎng)度，但在水平方向上也同樣自由，用戶將終端隨意放在充電臺(tái)上就能夠正常充電。

電場(chǎng)耦合與電磁感應(yīng)的對(duì)比結(jié)果，電極或線圈間的錯(cuò)位用dz/D（中心點(diǎn)距離/直徑）參數(shù)來(lái)表示，當(dāng)該參數(shù)為0時(shí)，表示兩者完全重合，此時(shí)能效處于最高狀態(tài)。

當(dāng)該參數(shù)為1時(shí)，表示兩者完全不重合。我們可以看到，此時(shí)電場(chǎng)耦合方式只是降低了20%的能量輸入，設(shè)備依然是可以正常充電，而電磁感應(yīng)式稍有錯(cuò)誤、能量效率就快速下降，錯(cuò)位超過(guò)0.5時(shí)就完全無(wú)法正常工作，因此，電磁感應(yīng)式總是需要非常精確的位置匹配。

電場(chǎng)耦合方式的第二個(gè)特點(diǎn)是電極可以做到非常薄，比如它可以使用厚度僅有5微米的銅箔或者鋁箔，此外對(duì)材料的形狀、材料也都不要求，透明電極、薄膜電極都可以使用，除了四方形外，也可以做成其他任何非常規(guī)的形狀。

這些特性決定了電場(chǎng)耦合技術(shù)可以被很容易地整合到薄型要求高的智能手機(jī)產(chǎn)品中，這也是該技術(shù)相對(duì)于其他方案最顯著的優(yōu)點(diǎn)。顯而易見(jiàn)，若采用電場(chǎng)耦合技術(shù)，智能手機(jī)廠商在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)就有很寬松的自由度，不會(huì)在充電模塊設(shè)計(jì)上遭受制肘。 

 

第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是電極部分的溫度并不會(huì)上升——困擾無(wú)線充電技術(shù)的一個(gè)難題就是充電時(shí)溫度較高，會(huì)導(dǎo)致接近電極或線圈的電池組受熱劣化，進(jìn)而影響電池的壽命。

電場(chǎng)耦合方式則不存在這種困擾，電極部分的溫度并不會(huì)上升，因此在內(nèi)部設(shè)計(jì)方面不必太刻意。電極部分不發(fā)熱主要得益于提高電壓，如在充電時(shí)將電壓提升到1.5kv左右，此時(shí)流過(guò)電極的電流強(qiáng)度只有區(qū)區(qū)數(shù)毫安，電極的發(fā)熱量就可以控制得很理想。

不過(guò)美中不足的是，送電模塊和受電模塊的電源電路仍然會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，一般會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部溫度提升10～20℃左右，但電路系統(tǒng)可以被配置在較遠(yuǎn)的位置上，以避免對(duì)內(nèi)部電池產(chǎn)生影響。

 

電場(chǎng)耦合方式具有體積小、發(fā)熱低和高效率的優(yōu)勢(shì)，缺點(diǎn)在于開(kāi)發(fā)和支持者較少，不利于普及。

4.微波諧振方式 

英特爾公司是微波諧振方式的擁護(hù)者，這項(xiàng)技術(shù)采用微波作為能量的傳遞信號(hào)，接收方接受到能量波以后，再經(jīng)過(guò)共振電路和整流電路將其還原為設(shè)備可用的直流電。

這種方式就相當(dāng)于我們常用的Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，發(fā)收雙方都各自擁有一個(gè)專門的天線，所不同的是，這一次傳遞的不是信號(hào)而是電能量。

微波的頻率在300MHz～300GHz之間，波長(zhǎng)則在毫米-分米-米級(jí)別，微波傳輸能量的能力非常強(qiáng)大，我們家庭中的微波爐即是用到它的熱效應(yīng)，而英特爾的微波無(wú)線充電技術(shù)，則是將微波能量轉(zhuǎn)換回電信號(hào)。

微波諧振方式的缺點(diǎn)相當(dāng)明顯，就是能量是四面八方發(fā)散的，導(dǎo)致其能量利用效率低得出奇，供應(yīng)電力低至1瓦以下，乍一看起來(lái)實(shí)用性相當(dāng)有限。而它的優(yōu)點(diǎn)，則是位置高度靈活，只要將設(shè)備放在充電設(shè)備附近即可，對(duì)位置的要求很低，是最符合自然的一種充電方式。

 

無(wú)線微波方式雖然能效很低，但使用最為方便。