科學視界

不受距離限制
電磁感應與無線充電

法拉第透過由電線纏繞成的電磁鐵，驗證電磁感應原理。

　週末去咖啡店時，只要隨手將手機放在桌面特殊位置的「充電盤」上，你就能放心享受午後時光，不必隨時注意手機電量，好及時拿出笨重的行動電源替手機「續命」。

　這個便利的科技產物，原理來自十九世紀，一位沒機會受到完整教育的科學家，他發現的定律深深影響了人類對於電和磁的發展，甚至是對於無線充電技術的應用。他就是英國物理學家──法拉第。

電磁感應
法拉第影響深遠

　 一八二○年，丹麥物理學家厄斯特發現，通有電流的導線會讓附近的磁針偏轉，正式點燃電與磁統一的引信，使原先認為電與磁各別分離的物理學界，開啟了電磁相互作用的研究。

 　一八三一年，法拉第用鐵環繞兩組線圈，將其中一組連接起來並擺在磁針旁邊，另一組線圈通有穩定電流，藉由電流磁效應，使此線圈產生磁場。

　法拉第發現，只在接通電流及切斷電流的瞬間，磁針才會來回擺動，得到「磁的變化」產生電的結論，稱為「電磁感應」。

　對3C世代而言，人手一機搭配各式智慧配件隨處可見，頻繁的使用習慣自然需要隨時充電。既然電的「發出」已由電磁感應原理搭配電力輸送系統成熟發展，那充電呢？

　上一波電力輸送爭論，已由十九世紀愛迪生和特斯拉的「電流戰爭」議定，二十一世紀我們想達到的，是從「有線」轉換成「無線」的充電方式，向實現無實體電線的輸送電力未來邁進。

無線充電
並非完全不用電線

　「無線充電完全不需要電線」是大多數人對無線充電的美好想像，雖然現階段尚未完全普及，但好消息是，在二○○七年，美國麻省理工學院研究團隊，就已經成功點亮兩公尺外的球形燈泡，鼓舞眾多科學家持續投入「真‧無線充電」的商用研究。那麼，無線充電是如何實現的呢？

　以手機無線充電盤為例，它的運作方式是在無線充電盤裡設置一組線圈，由電源插座連接電線供應電力。當插座流出的交流電通過線圈時，會產生隨時間變化的磁場。

　同時，具有支援無線充電的手機裡會設置一組線圈，當這組線圈感應到磁場變化，就會產生電流，最後將此電流經過整流、穩壓後，導入手機電池裡，完成無線充電。

　因此，依磁感應原理所設計的手機無線充電，「無線」部分是在手機與充電盤之間無需電線，不過電能供給的來源，仍然需要透過實體電線連接插座完成。

當電流流經無線充電板內的電線圈時會產生磁場，磁場則可以誘發手機內的線圈產生感應電流，進一步幫手機充電。

無線未來
高功率與大距離

　使用手機無線充電時會發現，充電速度不如有線充電來得快。主要原因在於，無線充電除了和有線充電一樣，在電路有基本的能量耗損之外，更多了「電到磁再到電」過程的能量轉換耗損。

　因此，標榜輸出功率為5W的市售充電盤，實際功率大約僅為輸出功率的七成五；而且，充電的擺放位置更必須固定且精準，否則充電的效果也會下降。

　無線充電盤成功讓手機與3C配件在閒置時也能充電，減少不同規格電線的攜帶與磨損。現今車用無線充電，更提高駕駛人的安全與便利。

　如果追求快速充電和低成本，有線充電仍然是目前的最佳選擇，但不可否認，無線充電具有布建未來人類智慧生活的趨勢。法拉第兩百年前的理論，將多方應用在電與磁轉換的科技產品，向未來智慧建設的電力應用邁進。