楊艷霞 晁 蒙 孟衛(wèi)東正高級教師

(清華大學(xué)附屬中學(xué)永豐學(xué)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(xué)習(xí)物理的過程中,小物經(jīng)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(dá)到新的高度.

1 對話錄

小物:無線充電技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今主流手機(jī)的標(biāo)配,不需要連接數(shù)據(jù)線,只需要把手機(jī)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(xué)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象嗎?

小物:電磁感應(yīng)揭示的是磁與電之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系,繼奧斯特通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)后,法拉第深受啟發(fā),堅(jiān)信磁與電之間也應(yīng)該有類似的效應(yīng).經(jīng)過數(shù)十年的探索,法拉第發(fā)現(xiàn),“磁生電”是一種在變化的過程中才會顯現(xiàn)的現(xiàn)象,并將這些現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng).

小理:看來你非常熟悉中學(xué)物理教材啊! 電磁感應(yīng)進(jìn)一步揭示了電和磁之間的緊密關(guān)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(zhuǎn)換的,這正是無線充電所依據(jù)的原理.

小物:你能具體給我講講無線充電是如何實(shí)現(xiàn)的嗎?

2 小理的解釋

無線充電是通過電磁波來實(shí)現(xiàn)隔空傳輸電能的.目前主流的三種充電方式是電磁感應(yīng)式、磁共振式和無線電波式,前兩種所依據(jù)的原理相似,統(tǒng)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(yīng)式無線充電原理

對于無線能量傳輸系統(tǒng),通常把線圈看作場源,距離場源越近的區(qū)域,磁場強(qiáng)度越大,磁場的變化也越快,通過電能和磁場能在兩個系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)化,實(shí)現(xiàn)能量的傳輸.電磁感應(yīng)無線充電技術(shù)采用磁路交流電路,實(shí)現(xiàn)緊耦合式的能量傳輸.由于其緊耦合結(jié)構(gòu),能量傳輸距離比較短,而且對充電設(shè)備的擺放位置有較嚴(yán)格的要求,要實(shí)現(xiàn)能量的穩(wěn)定高效傳輸,接收端線圈和發(fā)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(yán)重的影響,自由度比較低.

理論計(jì)算表明,當(dāng)兩個系統(tǒng)具有相同的諧振頻率時,它們之間具有最大的能量轉(zhuǎn)換效率,當(dāng)諧振頻率不相等時,能量轉(zhuǎn)換率較低.因此設(shè)法使發(fā)射端和接收端具有相等的振動頻率,通過頻率共振來轉(zhuǎn)換能量,可以有效提高無線充電系統(tǒng)的能量傳輸效率.磁共振無線充電使用調(diào)諧技術(shù),使接收端線圈和發(fā)射端線圈具有相同的固有頻率,通過兩個系統(tǒng)的頻率共振實(shí)現(xiàn)強(qiáng)耦合,可以極大提高能量的轉(zhuǎn)換率,使得系統(tǒng)具有更高的能量傳輸效率.

磁共振無線充電系統(tǒng)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(fù)載和整流濾波模塊組成.耦合電路中,發(fā)射端線圈和接收端線圈都和補(bǔ)償電容串流,通過補(bǔ)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(shí)現(xiàn)頻率共振.一定頻率的交流電通過初級電路的整流、逆變,轉(zhuǎn)化為正弦波,該正弦式交變電流通過耦合電路中的發(fā)射端線圈后,產(chǎn)生交變磁場,交變磁場通過接收端線圈,產(chǎn)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(jīng)過次級電路的整流、濾波,形成直流電壓輸送到負(fù)載,實(shí)現(xiàn)了發(fā)射端系統(tǒng)和接收端系統(tǒng)的無接觸充電.

由于磁共振式無線充電技術(shù)利用共振效應(yīng)來傳輸能量,可以延長傳輸距離,并且發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng),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(shù)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(jīng)在科幻電影里出現(xiàn)的“黑科技”早已存在于我們的日常生活中,而其所依據(jù)的原理竟然正是我們在高中物理課上學(xué)到的知識.聽完你的分析,我對電與磁在生活中的應(yīng)用有了更深刻的認(rèn)識.當(dāng)今很多高新技術(shù)都是以物理學(xué)原理作為基礎(chǔ)的,學(xué)好數(shù)學(xué)、物理等基礎(chǔ)學(xué)科,對于理解科技的發(fā)展至關(guān)重要.