無線充電背後藏了哪些歷史悠久的物理學?

無線充電技術看似相當神奇,但你知道手機免受插線之苦,其背後的物理原理嗎?這一切都要感謝電學之父法拉第在近兩百年前的驚人發現。
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原文為《The Surprisingly Old Physics Of Wireless Charging》,作者為 Chad Orzel 。TECH2IPO 編譯,Inside 獲授權轉載。

我的手機已經服役好幾年了,因此,在上個星期,我買了一部新手機,是的,就是圖中的這部。這部手機是可以進行無線充電的。儘管它的充電效率比傳統插拔式充電效率低,但是對於一個物理控來說,它的吸引力太大了。

雖然無線充電充滿了未來感,但是事實上這在物理學上並不是新概念。由於物理學之神特斯拉,這項技術曾經讓人們驚奇,但是事實上其背後的物理學卻已經有超過一個世紀的歷史,而發明這項技術的人也是應該受到大家尊重的科學怪人。

無線充電的核心其實就是電磁感應,即變化的磁場會產生電場。如果你有一個磁鐵,並且搖一搖,那麼其附近的電荷就會開始運動。這裡面最讓人值得注意的是,通過變化的磁場產生的電場和靜電荷產生的電場具有不同的性質。靜止電荷產生的電場可以讓電荷從 A 運動到 B 點,但是變化磁場產生的電場卻是閉合的,因此電荷會從 A 點運動到 B 點後再返回到 A 點。只要你有一個變化的磁場,那麼在其周圍的閉合導線中你就可以產生電流,而這種電流也非常有用,例如為手機電池充電等。只要你維持磁場的變化,那麼電流就會一直存在。

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那麼如何才能產生變化的磁場呢?最經典的辦法就是旋轉磁體或線圈。一個磁場有確定的方向,當你改變磁場的相對方向時,其磁場的相對強度也會發生變化。因此在閉合線圈附近的旋轉的磁鐵就會產生一個一直變化的磁場,從而在閉合線圈中產生電流。這就是大多數商業電能產生的基礎。水力發電通過水流來轉動渦輪機,而煤、天然氣或者核能則通過加熱水成蒸汽來推動渦輪機旋轉。

當然,對於我的手機來說,這裡並沒有足夠大的空間來放置一個渦輪機。相反,它利用的是已經產生的電能。通過家中的電能,這種充電器可以使得小線圈中的電流不斷振蕩,從而產生震盪的磁場,使得內置於手機中的閉合線圈產生電流,產生的電流就可以用於為電池充電。事實上,這種裝置是特斯拉曾經提出的供電技術方案中的一個,但是這個想法卻可以追溯到 1820 年代,由鼎鼎大名的法拉第提出。

法拉第是 19 世紀最偉大的科學家之一,他對物理學和化學都有不朽的貢獻。他最重要的貢獻包括感應電動勢的發現和對於變化磁場產生電場的描述,即眾所周知的「法拉第定律」。當接觸到奧斯特的工作時(當導線通電時,導線附近的指南針會發生偏移,從而將電場和磁場聯繫起來了),法拉第著實感到非常震驚。法拉第推測這種影響應該是雙向的,並且設計了一個實驗來表明磁鐵可以讓電流運動起來——在盛有水銀的盤子下方放置一個磁鐵來使得載流線圈發生旋轉。經過數十個後續實驗,人們明白了通過將磁鐵在線圈中來回穿過也可以觀察到感應電流。

正如前文所提到的,法拉第是非常值得尊敬的科學家,更具體地說主要是由於他的偉大的實驗。我們現在的關於電場和磁場的想法都可以追溯到法拉第,他在進行電磁實現討論時用到了磁力線來充滿磁場空間。然而他的這種想法在當時並沒有引起太大的重視,很大一部分原因是由於法拉第的背景決定的——他的家庭非常貧窮,並沒有接受過正規的教育,從而使得他表述問題的方式或許並不是那麼科學。直到 1860 年代,Maxwell's 吸納了法拉第的觀點,並且和其他理論一起,形成了完整的電磁波理論。

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因此,當人們向我介紹他們的理論是源於愛因斯坦的啓發時,我真的很想建議他們看看法拉第的工作。愛因斯坦有非常深厚的數學底子,且接受了非常正規的教育。如果你想要從歷史上尋找一位提出了非常卓越的見解,而且最終被證明是正確的,同時又沒有用到微積分的話,法拉第就是這樣的一位。

如果無線充電技術背後的物理知識可以追溯到兩百年前的話,那麼為什麼這項技術直到今天還是不夠成熟呢?其實主要還是受材料的制約。

正如我們所知,通過變化磁場產生的電流強度受磁場強度的影響很大,而磁場隨著距離的變化特別大。這意味著感應無線充電技術將會比插拔式充電技術的效率要低很多。你也可以通過一些技術手段來提高無線充電技術的效率,例如可以使用多個線圈同時振蕩等,但是你需要讓感應線圈盡可能地靠近磁場源。這也就是為什麼每次我將手機靠近充電器時,我需要仔細尋找最佳充電位置。

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由於材料和製造技術的發展,我們已經可以製造足夠小的線圈來產生足夠的電場和接收感應電流,從而使得無線充電在今天已經成為可能。回到 1800 年代,法拉第需要一個巨型電磁鐵來實現他的發現,而特斯拉關於無線輸電的設想也涉及到巨大的高塔。多虧了研究人員在那些看起來並不有趣的領域的不斷研究,才使得這些技術進步一點點累積起來,使得這一切成為可能。

正是革命性的洞察力和辛勤勞動的相互融合,才產生了我現在正在使用的新裝置。

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