小物和小理的物理对话录(101)——电与磁的交织之“隔空传电”

杨艳霞 晁 蒙 孟卫东正高级教师

(清华大学附属中学永丰学校)

前言:小物和小理是两名普通的高中生,他们酷爱物理,在学习物理的过程中,小物经常向小理提出许多刁钻而有趣的物理问题,了解他们的故事也能让你的物理达到新的高度.

1 对话录

小物:无线充电技术已经成为当今主流手机的标配,不需要连接数据线,只需要把手机轻轻放到充电器底座上,就可以直接传送电能,这是为什么呢?

小理:为了更好地理解这个问题,需要知道无线充电的原理,你还记得物理课中学的电磁感应现象吗?

小物:电磁感应揭示的是磁与电之间的转化关系,继奥斯特通过实验发现电流的磁效应后,法拉第深受启发,坚信磁与电之间也应该有类似的效应.经过数十年的探索,法拉第发现,“磁生电”是一种在变化的过程中才会显现的现象,并将这些现象称为电磁感应.

小理:看来你非常熟悉中学物理教材啊! 电磁感应进一步揭示了电和磁之间的紧密关系,即电生磁和磁生电.在一定条件下,电能和磁场能是可以相互转换的,这正是无线充电所依据的原理.

小物:你能具体给我讲讲无线充电是如何实现的吗?

2 小理的解释

无线充电是通过电磁波来实现隔空传输电能的.目前主流的三种充电方式是电磁感应式、磁共振式和无线电波式,前两种所依据的原理相似,统称为“电磁耦合无线充电”,也是目前使用比较多的无线充电方式.

图1 无线充电示意图

图2 电磁感应式无线充电原理

对于无线能量传输系统,通常把线圈看作场源,距离场源越近的区域,磁场强度越大,磁场的变化也越快,通过电能和磁场能在两个系统中的转化,实现能量的传输.电磁感应无线充电技术采用磁路交流电路,实现紧耦合式的能量传输.由于其紧耦合结构,能量传输距离比较短,而且对充电设备的摆放位置有较严格的要求,要实现能量的稳定高效传输,接收端线圈和发射端线圈必须共轴,两个线圈的位置稍有偏差,充电的效率就会受到严重的影响,自由度比较低.

理论计算表明,当两个系统具有相同的谐振频率时,它们之间具有最大的能量转换效率,当谐振频率不相等时,能量转换率较低.因此设法使发射端和接收端具有相等的振动频率,通过频率共振来转换能量,可以有效提高无线充电系统的能量传输效率.磁共振无线充电使用调谐技术,使接收端线圈和发射端线圈具有相同的固有频率,通过两个系统的频率共振实现强耦合,可以极大提高能量的转换率,使得系统具有更高的能量传输效率.

磁共振无线充电系统主要包括初级电路、耦合电路和次级电路这三个部分(如图3).

图3 磁共振式无线充电原理

其中,初级电路主要由整流和高频逆变这两个模块组成;耦合电路主要由线圈和谐振电容组成;次级电路由负载和整流滤波模块组成.耦合电路中,发射端线圈和接收端线圈都和补偿电容串流,通过补偿电容的作用,使两个线圈的固有频率与电路频率相等,从而实现频率共振.一定频率的交流电通过初级电路的整流、逆变,转化为正弦波,该正弦式交变电流通过耦合电路中的发射端线圈后,产生交变磁场,交变磁场通过接收端线圈,产生交变电场,该交变电场被接收器接收后形成正弦波,从而在耦合电路完成“电生磁”“磁生电”的过程.耦合电路形成的正弦波经过次级电路的整流、滤波,形成直流电压输送到负载,实现了发射端系统和接收端系统的无接触充电.

由于磁共振式无线充电技术利用共振效应来传输能量,可以延长传输距离,并且发射系统和接收系统内线圈的位置不需要完全吻合,有较大的自由度,理论上可以做到边走边充,即只需要在路上铺好无线充电系统,车辆就可以在路上边行驶边充电.但由于磁共振式无线充电技术难度大、成本高,所以目前并没有被广泛使用.

3 小物的感悟

“隔空传送电能”,这个曾经在科幻电影里出现的“黑科技”早已存在于我们的日常生活中,而其所依据的原理竟然正是我们在高中物理课上学到的知识.听完你的分析,我对电与磁在生活中的应用有了更深刻的认识.当今很多高新技术都是以物理学原理作为基础的,学好数学、物理等基础学科,对于理解科技的发展至关重要.