在初中,我们学习过一个原理,当一个快速变化的电流就是产生电磁波,利用这个原理,人类用来传递信息,也可以用来传递能量。于是就有了一种加热设备,微波炉。
其实微波加热的原理简单说来是:当微波辐射到食品上时,食品中总是含有一定量的水分,而水是由极性分子(分子的正负电荷中心,即使在外电场不存在时也是不重合的)组成的,这种极性分子的取向将随微波场而变动。由于食品中水的极性分子的这种运动。以及相邻分子间的相互作用,产生了类似摩擦的现象,使水温升高,因此,食品的温度也就上升了。用微波加热的食品,因其内部也同时被加热,使整个物体受热均匀,升温速度也快。它以每秒24.5亿次的频率,深入食物5cm进行加热,加速分子运转。因此,记得有个女生在我讲了这个原理后,在我鼓励下专门做了一个实验,把一杯牛奶放到微波炉中,居然里面牛奶烫得厉害,而外面袋子温度并不高。
当然,除了微波炉有磁控管,还有一个加热设备,电磁炉也有,第一台产生于德国,现在已经成为主流厨房用具。电磁炉的原理是电磁感应现象,即利用交变电流通过线圈产生方向不断改变的交变磁场,处于交变磁场中的导体的内部将会出现涡旋电流(原因可参考法拉第电磁感应定律),这是涡旋电场推动导体中载流子(锅里的是电子而绝非铁原子)运动所致;涡旋电流的焦耳热效应使导体升温,从而实现加热。
基本上现在电磁炉代替原来电炉,因为电磁炉效率远远高于电炉。因为电炉是电阻丝热效应产生热量,不仅要给食物加热,还要给炉体本身加热。而电磁炉炉体只产生电磁波,而是靠锅内由于电磁感应产生电流发热产生的。因此炉体本身不发热,因此在做相同多有用功前提下,电磁炉做额外功少,因为效率就高。
由于电能广泛使用,因为现在人民很好便捷性用电电器都存在一个现实问题,就是充电问题,当然以前主要是才有有线方式进行充电,由于新能源汽车广泛使用,那种靠线方式由于不同厂家插口可能不匹配,因此无限充电成为一种强烈要求,反过来无限线术运用,又被最手机厂商加以利用,比如笔者最近花90元购入小米20w的无线充电器,确实给米9带了方便。
2007年6月麻省理工学院以Marin Soljacic为首的研究团队首次演示了利用电磁感应原理的灯泡无线供电技术,他们可以在一米距离内无线给60瓦的灯泡提供电力,电能传输效率高达75%。无线充电利用电磁波感应原理进行充电,原理类似于变压器。在发送和接收端各有一个线圈,发送端线圈连接有线电源产生电磁信号,接收端线圈感应发送端的电磁信号从而产生电流。研究者由此设想电源可以在这范围内为电池进行无线充电,进而推想只需要安装一个电源,即可为整个屋里的用电器供电。传输线圈的工作频率在兆赫兹范围,接收线圈在非辐射磁场内部发生谐振,以相同的频率振荡,然后有效的通过磁感应进行电能传输。
无线充电技术从目前来看,主要有这样四种类型:
电磁感应式无线充电技术: 初级线圈一定频率的交流电,通过电磁感应在次级线圈钟产生一定的电流,从而将能量从传输端转移到接收端。目前最为常见的充电垫解决方案就采用了电磁感应,事实上,电磁感应解决方案在技术实现上并无太多神秘感,中国本土的比亚迪公司,早在2005年12月申请的非接触感应式充电器专利,就使用了电磁感应技术。网络上有一种说法,可以用电磁炉给手机充电,其实理论上是行得通的,但是对于电磁炉中磁控管产生电磁波,如何通过一个转换装置,能让米九的线圈产生一种感应电流被电池接受应该是一个值得电子爱好者研究方向。
磁场共振充电技术:磁场共振充电由能量发送装置,和能量接收装置组成,当两个装置调整到相同频率,或者说在一个特定的频率上共振,它们就可以交换彼此的能量,是目前正在研究的一种技术,由麻省理工学院(MIT)物理教授Marin Soljacic带领的研究团队利用该技术点亮了两米外的一盏60瓦灯泡。该实验中使用的线圈直径达到50cm,还无法实现商用化,如果要缩小线圈尺寸,接收功率自然也会下降。相比电磁感应方式,利用共振可延长传输距离。磁共振方式不同于电磁感应方式,无需使线圈间的位置完全吻合。
无线电波式充电技术:这是发展较为成熟的技术,类似于早期使用的矿石收音机,主要有微波发射装置和微波接收装置组成,可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量,在随负载作出调整的同时保持稳定的直流电压。AirVolt无线充电器 AirVolt是一款利用无线电波给移动设备进行充电的无线充电器。和同类型产品一样,它的效率要比有线充电低一些。AirVolt充电头通电后可以将电能转化为电磁波,接收器获取后会将电磁波又转化为电能为手机充电。当电量充满到80%时就会自动停止充电, 低于20%时又会自动充电, 既保证了手机最佳电量又不会导致过度充电, 增加了电池使用寿命。
电场耦合式充电原理:利用通过沿垂直方向耦合两组非对称偶极子而产生的感应电场来传输电力。一般充电模块是由2个非对称偶极子按垂直方向排列而成的,这组偶极子各由供电部分和接收部分的活性炭电极和接地电极组成。无线供电模块就是通过这2个非对称偶极子的电场耦合而产生的感应电场来供电的。
笔者是一个米粉,对于其他品牌无线充电器没有进行过关注,因此无法弄清其原理,不过利用20W充电器可以给苹果和华为手机充电,就说明他们原来大致相同。小米9就是采电磁感应式无线充电的原理也是很简单的,当无线充电器的送电线圈的电流通过线圈时会产生磁场,而我们的手机端的受电线圈虽然没有通电,但如果它靠近送电线圈时,由于电磁感应原理,送电线圈所产生的磁场时就会让受电线圈产生电流,从而为智能手机进行无线充电。
小米9能够实现全球首发20W无线充电的关键主要是采用了有线快充相同的半压直冲方案,小米9的20W无线充电底座的最大输出功率大约为20W,让手机端以15V/1.34A的接收功率输入。中间级再采用95%的高效率DC-DC(直流-直流)(buck)降压至2倍电池电压,它还可以实现20mV精细调压来保证下一级电荷泵充电的稳定性。后级采用电荷泵技术进行2:1变压操作将电量充进锂电池内,这个中间的转化效率高达97%-98%。
当然,随着无线充电技术成熟,新能源汽车无线快充就变成现实。充电一分钟,汽车百公里梦想可以实现。但是这些小米定制汽车依然没有采用电动汽车还是蛮遗憾一件事,毕竟新能源汽车是一个方向,而小米又是手机厂商中无线充电技术走在前列一个公司。不过快捷迅速无线充电技术将会走进我们生活!
2019年4月22日于夷陵吾同斋。
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