电与磁的作用和原理

在探索无线充电技术原理之前，我们必须先来了解一下“电流磁效应”和“电磁感应”。

 

1819 年，丹麦科学家厄斯特观察到一段导线上如果通有电流，四周将会产生磁场，可以让指北针偏转。后人则进一步发现，将导线围成环状，甚至绕成线圈，产生的磁场将会更强、更集中，这称为“电流磁效应”。

 

1831 年法拉第发现，让一块磁铁或其他的磁场来源靠近一段没有电流的线圈，线圈上就会产生“感应电流”，称为“电磁感应”。

值得注意的是，电磁感应的成立条件是磁场要有“变化”，如磁铁越来越近或越来越远。外加磁场若是一直保持不变，是不会有感应电流的。 这两种物理现象同时运用，就可以进行无线充电。目前的无线充电设备，都包含一个“充电座”，里面其实正是线圈。将充电座接到家用插头后，线圈周围会因为电流磁效应而产生磁场。

要充电的电子产品，里面也都有一个线圈，当它靠近充电座时，充电座的磁场将通过电磁感应，在电子产品的线圈上产生感应电流。感应电流导引到电池，就完成了充电座和电子产品间的无线充电。

 

人们可能会问，磁场不是要改变才能有电磁感应吗？可是充电座与充电的对象距离却始终保持不变，这样为何会有电磁感应呢？

原来，家用插座中流出的电是“交流电”，也就是说电流的方向不断的交替变化，一会儿顺着流，一会儿反着流。正因为如此，充电座线圈产生的磁场随之不断在变换方向，并非保持不变，符合电磁感应的条件。

 

但是不幸的是，智能手机或平板电脑在充电的时候，只要离充电座的距离稍远一些，充电效率就会明显下降。即便是最新的技术，充电距离也不能超过 5 公分。

事实上，目前绝大部分可以无线充电的移动设备，都是要完全平放在充电座上才能进行，和想像中随走随充的无线充电仍有点差别。

无线充电技术的主要种类

现阶段，无线充电存在四种不同的方式：电磁感应方式、电磁共振方式、电场耦合方式、无线电波方式。

其中用在手机无线充电的技术主要是电磁感应技术和电磁共振技术，当然，无线充电一旦突破技术壁垒，在以后的家电，以及发展势头正猛的电动汽车上同样具有非常广阔的前景。

1.电磁感应方式 

我们今天见到的各类无线充电技术，大多是采用电磁感应技术，我们可以将这项技术看作是分离式的变压器。

我们知道，现在广泛应用的变压器由一个磁芯和二个线圈(初级线圈、次级线圈)组成；当初级线圈两端加上一个交变电压时，磁芯中就会产生一个交变磁场，从而在次级线圈上感应一个相同频率的交流电压，电能就从输入电路传输至输出电路。

如果将发射端的线圈和接收端的线圈放在两个分离的设备中，当电能输入到发射端线圈时，就会产生一个磁场，磁场感应到接收端的线圈、就产生了电流，这样我们就构建了一套无线电能传输系统。

这套系统的主要缺陷在于，磁场随着距离的增加快速减弱，一般只能在数毫米至10厘米的范围内工作，加上能量是朝着四面八方发散式的，因此感应电流远远小于输入电流，能源效率并不高。但对于近距离接触的物体这就不存在问题了。

最早利用这一原理的无线充电产品是电动牙刷——电动牙刷由于经常接触到水，所以采用无接点充电方式，可使得充电接触点不暴露在外，增强了产品的防水性，也可以整体水洗。

在充电插座和牙刷中各有一个线圈，当牙刷放在充电座上时就有磁耦合作用，利用电磁感应的原理来传送电力，感应电压经过整流后就可对牙刷内部的充电电池充电。

 

电磁感应方式的特点是传输距离短、使用位置相对固定，但是能量效率较高、技术简单，很适合作为无线充电技术使用。

2.电磁共振方式 

与电磁感应方式相比，电磁共振技术在距离上就有了一定的宽容度，它可以支持数厘米至数米的无线充电，使用上更加灵活。

电磁共振同样要使用两个规格完全匹配的线圈，一个线圈通电后产生磁场，另一个线圈因此共振、产生的电流就可以点亮灯泡或者给设备充电。

除了距离较远外，电磁共振方式还可以同时对多个设备进行充电，并且对设备的位置并没有严格的限制，使用灵活度在各项技术中居于榜首。

在传输效率方面，电磁共振方式可以达到40%～60%，虽然相对较低但也进入商用化没有任何问题。电磁共振方式将电能以电磁波“射频”或非辐射性谐振“磁共振”等形式传输，它具有较高的效率和非常好的灵活性，是目前业内的开发重点。

3.电磁耦合方式

相对于传统的电磁感应式，电场耦合方式有三大优点：充电时设备的位置具备一定的自由度；电极可以做得很薄、更易于嵌入；电极的温度不会显著上升，对嵌入也相当有利。

首先在位置方面，虽然它的距离无法像磁共振那样能达到数米的长度，但在水平方向上也同样自由，用户将终端随意放在充电台上就能够正常充电。

电场耦合与电磁感应的对比结果，电极或线圈间的错位用dz/D（中心点距离/直径）参数来表示，当该参数为0时，表示两者完全重合，此时能效处于最高状态。

当该参数为1时，表示两者完全不重合。我们可以看到，此时电场耦合方式只是降低了20%的能量输入，设备依然是可以正常充电，而电磁感应式稍有错误、能量效率就快速下降，错位超过0.5时就完全无法正常工作，因此，电磁感应式总是需要非常精确的位置匹配。

电场耦合方式的第二个特点是电极可以做到非常薄，比如它可以使用厚度仅有5微米的铜箔或者铝箔，此外对材料的形状、材料也都不要求，透明电极、薄膜电极都可以使用，除了四方形外，也可以做成其他任何非常规的形状。

这些特性决定了电场耦合技术可以被很容易地整合到薄型要求高的智能手机产品中，这也是该技术相对于其他方案最显著的优点。显而易见，若采用电场耦合技术，智能手机厂商在设计产品时就有很宽松的自由度，不会在充电模块设计上遭受制肘。 

 

第三个优点就是电极部分的温度并不会上升——困扰无线充电技术的一个难题就是充电时温度较高，会导致接近电极或线圈的电池组受热劣化，进而影响电池的寿命。

电场耦合方式则不存在这种困扰，电极部分的温度并不会上升，因此在内部设计方面不必太刻意。电极部分不发热主要得益于提高电压，如在充电时将电压提升到1.5kv左右，此时流过电极的电流强度只有区区数毫安，电极的发热量就可以控制得很理想。

不过美中不足的是，送电模块和受电模块的电源电路仍然会产生一定的热量，一般会导致内部温度提升10～20℃左右，但电路系统可以被配置在较远的位置上，以避免对内部电池产生影响。

 

电场耦合方式具有体积小、发热低和高效率的优势，缺点在于开发和支持者较少，不利于普及。

4.微波谐振方式 

英特尔公司是微波谐振方式的拥护者，这项技术采用微波作为能量的传递信号，接收方接受到能量波以后，再经过共振电路和整流电路将其还原为设备可用的直流电。

这种方式就相当于我们常用的Wi-Fi无线网络，发收双方都各自拥有一个专门的天线，所不同的是，这一次传递的不是信号而是电能量。

微波的频率在300MHz～300GHz之间，波长则在毫米-分米-米级别，微波传输能量的能力非常强大，我们家庭中的微波炉即是用到它的热效应，而英特尔的微波无线充电技术，则是将微波能量转换回电信号。

微波谐振方式的缺点相当明显，就是能量是四面八方发散的，导致其能量利用效率低得出奇，供应电力低至1瓦以下，乍一看起来实用性相当有限。而它的优点，则是位置高度灵活，只要将设备放在充电设备附近即可，对位置的要求很低，是最符合自然的一种充电方式。

 

无线微波方式虽然能效很低，但使用最为方便。