紀(jì) 緯，韓建衛(wèi)，鐘 瑞，王 拴，張立彬

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳) 實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新實(shí)踐教育中心，廣東 深圳 518055)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是理工科大學(xué)生第一門系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的實(shí)踐課程，是培養(yǎng)大學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)基本能力與素養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生探索與創(chuàng)造的科學(xué)精神的重要開端。但是課程中有相當(dāng)一部分是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，得到與理論相符合的實(shí)驗(yàn)結(jié)果后，與真值或者理論計(jì)算值進(jìn)行比較并進(jìn)行誤差分析、計(jì)算不確定度等。這種類型的實(shí)驗(yàn)有其必要性，可以鍛煉學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能、學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，但也存在著照本宣科、枯燥乏味的問題。因此我校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程開設(shè)了DIY磁耦合共振式無線電力傳輸實(shí)驗(yàn)，將課堂主動(dòng)權(quán)交予學(xué)生、充分鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力。

此實(shí)驗(yàn)勝在讓學(xué)生主動(dòng)參與到實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)、制作和搭建相應(yīng)的儀器部件，計(jì)算相關(guān)參數(shù)，最后經(jīng)過調(diào)試取得實(shí)驗(yàn)成功。這種實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生深度參與到過程中，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，鼓勵(lì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中大膽創(chuàng)新，分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，解決遇到的問題，極大地提升學(xué)生的課堂體驗(yàn)感，顯著提升學(xué)生對(duì)課程的興趣程度。

1 實(shí) 驗(yàn)

無線電力傳輸技術(shù)最早于1890由尼古拉·特斯拉提出[1]，并于1893年在世博會(huì)上展示了應(yīng)用無線輸電原理點(diǎn)亮無線磷光燈泡[2]。2007年MIT研究人員提出磁耦合諧振式無線電力傳輸原理，點(diǎn)亮了一個(gè)距離電源約2 m的60 W燈泡[3]。無線電力傳輸技術(shù)從原理上主要分為電磁感應(yīng)式、電磁波式和磁耦合共振式，其中采用非輻射電磁能諧振隧道效應(yīng)的磁耦合共振式，具有傳輸距離較電磁感應(yīng)式遠(yuǎn)，傳輸效率及功率較電磁波式高，對(duì)環(huán)境的輻射影響低，對(duì)介質(zhì)依賴度小等優(yōu)勢(shì)，屬中遠(yuǎn)距離無線電能傳輸技術(shù)，是近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)[4-6]。

1.1 磁耦合諧振原理

磁耦合是載流線圈之間通過磁場(chǎng)產(chǎn)生相互作用的物理現(xiàn)象。通交流電的線圈會(huì)在周圍空間產(chǎn)生隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)，處在此交變磁場(chǎng)中的另一線圈中也會(huì)激發(fā)出電流，并和原線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)發(fā)生相互作用，即產(chǎn)生磁耦合作用，在此過程中形成不同大小的能量傳遞。當(dāng)激勵(lì)頻率與線圈固有頻率一致時(shí)，具有相同諧振頻率的線圈之間通過強(qiáng)耦合進(jìn)行高效率的能量交換，即諧振式磁耦合。影響諧振式磁耦合傳輸功率的主要因素有工作頻率、線圈間距離、負(fù)載大小等[7-9]。

1.1.1 LC串聯(lián)諧振特性

串聯(lián)諧振線路阻抗為

1.1.2LC并聯(lián)諧振特性

并聯(lián)諧振線路阻抗為

當(dāng)ω=ω0時(shí)，電路發(fā)生諧振，此時(shí)電感和電容上的電流大小相等，相位相反，等于電阻上電流的Q倍，電阻電流與電源電流相等。若Q>>1，則電感和電容上的電流遠(yuǎn)大于電源電流，因此并聯(lián)諧振也稱為電流諧振。

(a)LC串聯(lián)電路

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)裝置是應(yīng)用磁耦合共振原理，采用并-串電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過信號(hào)發(fā)生器輸出的信號(hào)控制N-MOS場(chǎng)效應(yīng)管通斷，將直流電源供電轉(zhuǎn)變?yōu)椤巴?斷”交替的交流供電。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出方波信號(hào)控制開關(guān)電路工作，信號(hào)線的紅色線連接控制極柵極(G)，黑色線與源極共地，方波高電平設(shè)置大于導(dǎo)通電壓，低電平設(shè)置0 V，當(dāng)信號(hào)為高電平時(shí)，源極S與漏極D連通，低電平時(shí)則斷開，由此實(shí)現(xiàn)間歇充放電，使得發(fā)射電路產(chǎn)生交變磁場(chǎng)[8]。

裝置中發(fā)射及接收裝置采用相同參數(shù)的電容和電感線圈，由L1、C1構(gòu)成的發(fā)射電路在高頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)下向空間發(fā)出電磁波，在附近形成交變磁場(chǎng)，通過諧振式磁耦合被由L2、C2構(gòu)成的接收電路收到，在回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)從而帶動(dòng)負(fù)載工作，系統(tǒng)原理如圖2，實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖3。

圖2 磁耦合共振式無線電力傳輸系統(tǒng)原理電路圖

圖3 磁耦合諧振式無線電力傳輸實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)時(shí)要設(shè)法使振蕩電路輸出的激勵(lì)頻率與發(fā)射電路固有頻率以及接收電路的固有頻率一致，以產(chǎn)生強(qiáng)磁耦合使得能量傳輸效率最高，達(dá)到磁耦合諧振電能傳輸。LC諧振電路固有頻率計(jì)算公式為

式中L為線圈電感，C為電容。

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要分為兩部分，第一部分是，通過研究方波頻率與線圈距離對(duì)傳輸效率的影響來幫助學(xué)生理解無線輸電的原理，將磁場(chǎng)能量與電場(chǎng)能量之間的轉(zhuǎn)化以及電磁學(xué)相關(guān)知識(shí)與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，使學(xué)生對(duì)無線輸電的理解更加具象。第二部分是，通過自制簡(jiǎn)單的無線輸電系統(tǒng)，讓學(xué)生親自動(dòng)手設(shè)計(jì)與操作去實(shí)現(xiàn)磁耦合共振式無線電力傳輸?shù)哪繕?biāo)，這部分也是本實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)。

1.3.1 實(shí)驗(yàn)一研究方波頻率及線圈間距對(duì)傳輸效率的影響

將函數(shù)發(fā)生器方波輸出頻率調(diào)節(jié)至LC諧振電路的固有頻率附近，通過接收電路上的負(fù)載小燈泡的亮度定性觀察磁耦合諧振電能傳輸現(xiàn)象，當(dāng)負(fù)載燈泡最亮?xí)r，通過示波器觀察電壓信號(hào)，若為標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)且峰峰值最大，記錄此時(shí)方波頻率f0即為共振頻率。如所測(cè)方波信號(hào)頻率為2.263 MHz，直流電源電壓值為14 V，當(dāng)調(diào)節(jié)至共振時(shí)負(fù)載兩端電壓信號(hào)如圖4，設(shè)置上述參數(shù)本裝置負(fù)載峰峰值可達(dá)19.2 V。

圖4 諧振式磁耦合負(fù)載兩端電壓信號(hào)

分別對(duì)方波頻率及線圈間距進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，考察兩個(gè)因素對(duì)于無線電力傳輸?shù)挠绊憽?duì)方波頻率的研究，首先固定接收線圈與發(fā)射線圈的距離，在諧振頻率f0附近改變方波信號(hào)頻率，適當(dāng)調(diào)節(jié)頻率步長(zhǎng)，遠(yuǎn)離f0時(shí)步長(zhǎng)稍大，接近f0時(shí)步長(zhǎng)稍小，利用示波器測(cè)量接收電路負(fù)載的電壓信號(hào)峰峰值，觀察并分析頻率如何影響負(fù)載電壓值。對(duì)線圈間距的研究，可調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā)生器方波輸出頻率的大小使系統(tǒng)工作在諧振頻率f0之下，改變接收線圈與發(fā)射線圈間距，利用示波器測(cè)量接收電路的負(fù)載電壓信號(hào)峰峰值，觀察并分析線圈間距如何影響負(fù)載電壓值。

1.3.2 實(shí)驗(yàn)二自制簡(jiǎn)易無線電力傳輸系統(tǒng)

該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容旨在鍛煉學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力，將課堂主動(dòng)權(quán)交予學(xué)生，由學(xué)生主導(dǎo)接下來的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。自主設(shè)計(jì)制作過程，可以幫助學(xué)生更深入地了解無線電力傳輸?shù)奈锢肀举|(zhì)，通過定性觀察接收線圈上發(fā)光二極管的亮度，判斷系統(tǒng)是否處于諧振式磁耦合狀態(tài)，還可去掉接收線圈上的電容，對(duì)比電磁感應(yīng)式與磁耦合共振式現(xiàn)象上的區(qū)別。全面調(diào)動(dòng)學(xué)生的手、眼、腦協(xié)作，能夠讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中體會(huì)紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行的樂趣。這部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可設(shè)置兩個(gè)同學(xué)為一組，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)與合作精神。

實(shí)驗(yàn)材料需提供直徑1 mm左右的漆包銅線，幾種不同規(guī)格的CBB電容，發(fā)光二極管，數(shù)字電橋以及電烙鐵。漆包線用于繞制電感線圈，數(shù)字電橋用于測(cè)量繞制線圈電感值及電容值，電烙鐵用于電感、電容及二極管的焊接，具體設(shè)計(jì)制作及調(diào)試測(cè)量環(huán)節(jié)如圖5，本實(shí)驗(yàn)主要考核評(píng)價(jià)關(guān)鍵點(diǎn)如圖6，建議課堂時(shí)間分配如圖7。

圖5 自制無線電力傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

圖6 自制無線電力傳輸系統(tǒng)考核評(píng)價(jià)

圖7 課堂時(shí)間分配建議

2 結(jié) 語

經(jīng)過兩個(gè)學(xué)年的教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生普遍反映本實(shí)驗(yàn)是他們從未經(jīng)歷過的獨(dú)特體驗(yàn)，不僅能收獲有關(guān)諧振、磁耦合、無線電力傳輸?shù)奈锢碓?，還能通過由學(xué)生主導(dǎo)設(shè)計(jì)、制作與搭建的方式，將所學(xué)知識(shí)加以應(yīng)用。在這過程中可能遇到一些意想不到的問題和現(xiàn)象，通過分析及反復(fù)實(shí)驗(yàn)，最終得以成功解決，這樣的實(shí)踐學(xué)習(xí)經(jīng)歷是在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)中難以體會(huì)到的。因此，希望通過本文的介紹能夠?qū)Υ髮W(xué)物理實(shí)驗(yàn)如何培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力起到有益的參考作用。