電磁感應與無線充電

摘 要：隨著科技的發展，我們日常接觸到的技術產品也飛速的更新換代，曾經很多只存在于想象中的產品已經逐漸走入了我們的生活。無線充電技術已經成為現在很多手機的一個熱門買點，本文通過應用高中物理知識，對無線充電技術做出了簡要的分析和介紹。一方面揭開無線充電技術的神秘面紗，另一方面也展示出對所學知識靈活運用的重要性。

關鍵詞：電磁感應；物理；無線充電技術；原理

無線充電的概念雖說是最近這兩年逐漸火起來的一個技術熱點，但是其設想和技術最早可以追溯到1890年，交流電的發明者、著名物理學家尼古拉·特斯拉。他大膽設想將地球作為導體，借助放大發射機通過徑向電磁波振蕩的模式，在地球與地球電離層之間建立起約8Hz的低頻共振，進而利用環繞地球的表面電磁波來傳輸能量。雖然現在人們已經從理論上證明其方案的可行性，但在世界范圍內實現能量廣播和免費共享在現在到未來的一個時期內還是比較難以實現的。

特斯拉可謂是一個超越時代的科學家、發明家，現代對于無線電能傳輸的研究隨著科技社會飛速發展，已經逐步步入到試用階段。2007年，麻省理工大學發布研究成果；通過利用銅制線圈形成的電磁共振器實現了電能的無線傳輸。

2014年，美國電腦廠商DELL公司推出了可以無線充電的筆記本電腦，近兩年無線充電功能的智能手機產品更可謂多種多樣。并且無線充電技術也已經在新能源汽車領域實現了初步的運用，我國的中興公司在這方面也有著較為成熟的研究。

當前無線充電的方式主要包括四種：電磁感應式、磁共振式、電場耦合式和電波接收式。其中電磁感應的原理是我們高中物理所熟知的一個知識點，并且電磁感應式無線充電技術也是現在市面上比較成熟的一種技術，所以本文主要就電磁感應式無線充電技術予以討論。

一、電磁感應

電磁感應現象是由法拉第在1831年發現的，通俗的來說就是：變化的磁場產生電場，變化的電場產生磁場，是一個磁與電之間的相互聯系和轉化的關系。我們知道，電磁感應有兩個必要條件，即閉合電路和穿過閉合電路的磁通量發生變化。

而電磁感應指的是由于磁通量變化而產生感應電動勢的現象。電磁感應現象的發現，是近代物理領域中當之無愧的最偉大的成就之一。其發現不僅揭示出電與磁之間的內在聯系，并且為電、磁之間相互轉化奠定了基礎，使得人類獲取巨大而廉價的電能，帶來了一場重大的工業和技術的革命。

現代電工、電子技術、電氣化、自動化等諸多方面的廣泛應用，使其推動社會生產力和科學技術的飛速發展，造就了我們如今現代化的社會。

二、無線充電技術

如圖2所示，是電磁感應無線充電的簡單示意圖。可以假設左側AC（電壓源）電壓為Us， 電路的諧振頻率為ω；i1和i2則分別為發送線圈與接收線圈的電流，Z1 和 Z2 發送線圈和接收線圈阻抗；R1和R2分別代表電路的等效電阻；發送線圈串聯共振電容為C1；接收線圈串聯共振電容為C2；L1、L2分別為發送線圈電感和接收線圈電感；M為發送和接收線圈之間互感；負載為RL。

其基本原理在于由發射線圈和接收線圈構成一個電磁耦合感應器，發射線圈由于接入的交流電的不斷震蕩而產生磁場，進而通過線圈耦合使得接收的線圈中產生相應的電壓。無線充電技術的效率取決于線圈之間的耦合系數（常用K表示）和線圈的品質因數（常表示為Q）。理想狀態下發送和接收兩端通過串接諧振電容都默認為最佳諧振狀態，則此時發送端和接收端能量為最高傳輸效率：

可知，線圈耦合與初級感應線圈間的距離和其直徑的比值有關，同樣也與線圈的形狀和兩線圈間的角度有關。

無線充電的實際效率可表示為上式，可以看到，影響無線傳輸效率的因素有：線圈外徑、線圈匝數、導線寬度、線圈纏繞方向、以及線圈的相對位置變化。

三、總結

通過上述介紹，我們了解到，現在看似科技感十足的無線充電技術的基礎理論其實就是我們所熟悉的電磁感應定律。其實對于我們目前所學習的只是而言，每一個定理、每一個物理現象，只要深入去思考挖掘我們都會打開一片全新的天地，這也是我們對知識深入學習的樂趣所在。

作者簡介：

施建喆（1997-），男，漢族，山西人，保定一中學生。