投稿类别:物理类 篇名: 无线感应充电之探讨 作者: 梁嘉峻.彰化县立二林高级中学,高二 4 班. 黄柏昇.彰化县立二林高级中学,高二 4 班. 洪钧暐.彰化县立二林高级中学,高二 4 班. 指导老师: 黄仲杰老师 无线感应充电之探讨 1 壹 前言 一、研究动机 现代的科技日新月异,让智慧型手机日益普及,附加在上面的各项便 利功能愈来愈多,电力的需求也愈受正视.然而手机的充电系统,从早期 的各家自订介面,到现今统一的 USB 介面,强调行动能力的智慧型手机似 乎还是离不开充电的这条"线".如图一、图二所示,有监於有线的设计 造成了局限和不便,无线感应充电技术渐渐受到大家的探讨. 图一:有USB 线充电 图二:没USB 线充电 《注一》 《注二》 二、研究目的 本研究探讨无线充电带来的便利,还有无线充电和有线充电的效能比 较,以下针对本研究目的,方法及步骤,分别探讨如下: (一)探讨无线充电的原理 (二)探讨无线充电带来的应用 (三)探讨有线充电和无线充电效能的比较 无线感应充电之探讨 2 贰正文 一、源起 谈到无线充电,就不能不提到美籍科学家尼古拉?特斯拉.他在 1891 年发明了特斯拉线圈,奠定了现今无线充电技术的基础.到了现代,Intel 在2010 年的 CES 上展示无线供电技术,透过 2 个巨大线圈隔空传输电力, 让另一端 60W 的灯泡成功发亮.愈来愈多的发明也证明,无线传输技术已 经可以运用在各种电子产品上,如防水性、密封式的电子产品,无线传输 技术逐渐成熟与普及. 图三:Intel 展示无线供电的技术 《注三》 二、原理与现象 法拉第电磁感应定律是电磁学中的一条基本定律,跟变压器、电感元 件及多种发电机的运作有密切关系.定律指出:任何封闭电路中感应电动 势的大小,等於穿过这一电路磁通量的变化率. 当线圈内的磁场产生变化时,线圈會产生电流,这现象被称为电磁感 应,此电流为感应电流. (a) 如下图,接通或切断电源瞬间,會造成 B 线圈内的磁场发生变化, 因而产生感应电流,而使磁针发生偏转(磁针要置於导线下方). (b) 接通瞬间,磁针會逆时针偏转. (c) 切断瞬间,磁针會顺时针偏转. (d) 接通或切断瞬间,磁针之所以會偏转的原因,是因为与 B 线圈连 接的长直导线产生电磁流效应的关系. 无线感应充电之探讨 3 (e) 若开关保持接通,则磁场没有变化,虽然有磁场,但没有感应电 流,磁针还是不會偏转. (f) 感应电流的大小和单位时间的线圈内的磁场变化率成正比,和磁 铁与线圈间相对运动的速率成正比,和螺线管缠绕的线圈匝数成 正 图四:电子感应图 《注四》 这是种无线电力传输方式,通过发射端和接收端的线圈互相感应产生 电流,从而实现电力传输的技术.简单来说,其实是国中物理课本就有提 过的"法拉第电磁感应定律",如下图,是透过电磁感应式的原理运作. 运行方式很容易,首先从电力端(充电器)的线圈提供电力,充电器的线圈因 此产生磁力,而接收电力端(如手机、行动电源)线圈感应到磁力,进而将磁 力转换成电力. 图五:无线充电器充电原理 《注五》 无线感应充电之探讨 4 使用时 2 个线圈不需要接触就能透过电磁感应达到传导的目的,当然 设计上没这麽简单,还要考虑双方线圈的尺寸、接触距离等因素呢.这些 变因都會影响到充电效率.目前电磁感应式传输,可用範围大约在 30mm 以内,属於短距离传输. 三、应用 无线感应充电技术带来了传输电力的新想法,不单增加了便利性,也 突破了空间上的局限.除了本研究所探讨的手机之外,还有应用於其他电 子器材,列举如下表一. 表一:各式无线充电器材 编号 种类 範例 说明 1 行动装置的无 线充电 《注六》 现代人已经越来越离不开 手机之类的电子小产品 了,但是频繁充电既麻烦 而且经常拔插接头及容易 损坏,使用我们的无线充 电模组,只要把手机放在 充电平板上就能自动充 电,还能随时拿走或者接 聽电话. 2 亲水类产品的 供电 《注七》 例如电动牙刷、电动剃须 刀这类产品经常和水接 触,通常很难对充电口进 行防水处理,采用无线充 电,可以将电动部分完全 密封,彻底防尘防水,并 且提高产品档次增加附加 值. 无线感应充电之探讨 5 表一(续):各式无线充电器材 编号 种类 範例 说明 3 设计防水手机 或者对讲机 《注八》 市面上的手机、对讲机一 般都采用插接式触点充 电,这样很难进行真正的 防水,采用无线供电可以 进行全密封设计彻底防 水. 4 人体医疗领域 《注九》 有些医疗器材必须在人体 内部工作,如定时药剂 泵、胶囊内窥镜等,采用 无线供电方案可以大大延 长器材的工作时间,极具 实用价值. 四、有线充电和无线充电效能的比较 有线与无线充电的效能取决於许多因素,不尽相同,列举如下表二: 表二:有线充电和无线充电效能的比较 充电类型 影响因素 说明 线材的长短 线短,电阻相对的也低,可以提供更高的电流,相 对的线越长,损耗就越多,电流就越少. 线材的粗细与品质 越细的导线,能提供的电流也就越小,用来传输电 力就有过热或是电流过低的问题. 有线充电 USB 接头的抗阻 品质越好的 USB 线會用更好的接头 , 可以降低电阻 . 无线感应充电之探讨 6 表二(续):有线充电和无线充电效能的比较 充电类型 影响因素 说明 感应距离 无线充电的 TX 和RX 装置相隔不能太远,在1~2 公分的距离内才能有较佳的充电效果;一旦距离过 长,能量的衰减将逐渐增加. 转换功率 相较於直接的有线充电,无线充电的的损耗较大, 传输效率不高,极易造成电能的浪费.因此无线充 电技术还需要提高其整体充电效能才能提升使用者 转而采用的意愿.另外,充电的功率也还未达有线 充电的程度. 安全性 在电流充电的情况下會不断产生热能,导致充 电的平台与装置會有过热情形发生. 在充电平台与装置间,应具有适当的异物侦测 功能才能排除其他物质的干扰. 传输电流容易受到其他讯号干扰如手机来电或 来自其他电器的讯号,进而影响充电功率. 无线充电 相容性 不同装置与充电器的相容性与互通性问题,即使有 过Qi 认证的装置也还是存在无法充电的情形,对整 体安全性来说仍有一大疑虑. 参考表二的各项因素,我们用如图六所示的简单感应线圈,透过无线感应的 原理来替智慧型手机充电,并於每廿分钟纪录电池充电情形. 图六:实测无线感应充电 无线感应充电之探讨 7 参结论 我们将智慧型手机,利用有线充电和无线充电分别为智慧型手机来充电,比 较其充电的效能,并绘制曲线图如图七所示. 图七:无线与有线的充电比较图 虽然无线充电的效能还比不上有线充电快,但是充电的曲线走势还算平稳, 代表无线充电可以稳定的提供电力输出,是值得发展的趋势.现在的无线充电已 经慢慢运用在许多的电子产品上,期望在科技进步迅速发展的影响下,不久后可 以看得到无线充电处处普及的时代. 肆引注资料 《注一》科技报橘.2012 年手机充电器规格统一,有个 USB 插座让你充电更 方便! .民103 年3月5日,取自:http://goo.gl/MzO7N 《注二》网易手机.OPPO Finder 无线充电套件曝光 使用方便.民103 年3月9日,取自:http://goo.gl/zttYZ4l 《注三》电脑王.DIY 手机无线充电:不破保固千元改机、步骤讲解、充电效 率实测.民103 年3月12 日,取自:http://goo.gl/irrPf 无线感应充电之探讨 8 《注四》国中电磁学.民103 年3月13 日,取自:http://goo.gl/D3QOky 《注五》香港矽谷.诺基亚 Lumia 920 能用电磁炉充电.民103 年3月15 日, 取自:http://goo.gl/ejxDGc 《注六》360doc 个人图书馆.无线充电电路.民103 年3月18 日,取自: http://goo.gl/TmMI8w 《注七》 TechNic Direct.充电技术不设「线」 百佳泰有线、无线充电效能实测 与评监报告.民103 年3月5日,取自:http://goo.gl/hpK4e2 《注八》DANNOW.USB 充电的秘密.民103 年3月7日,取自: http://goo.gl/nl9DrW 《注九》 agrifica.com . 归元胶囊相机 . 民103 年3月7日,取自 : http://agrifica.com/ 张文亮(著) .(1999).电学之父-法拉第的故事.台湾.文经社. 梁衡(著).(2008).数理化通俗演义(上) .台湾.凡异. 梁衡(著).(2008).数理化通俗演义(下) .台湾.凡异.
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投稿类别:物理类 篇名: 无线感应充电之探讨 作者: 梁嘉峻.彰化县立二林高级中学,高二 4 班. 黄柏昇.彰化县立二林高级中学,高二 4 班. 洪钧暐.彰化县立二林高级中学,高二 4 班. 指导老师: 黄仲杰老师 无线感应充电之探讨 1 壹 前言 一、研究动机 现代的科技日新月异,让智慧型手机日益普及,附加在上面的各项便 利功能愈来愈多,电力的需求也愈受正视.然而手机的充电系统,从早期 的各家自订介面,到现今统一的 USB 介面,强调行动能力的智慧型手机似 乎还是离不开充电的这条"线".如图一、图二所示,有监於有线的设计 造成了局限和不便,无线感应充电技术渐渐受到大家的探讨. 图一:有USB 线充电 图二:没USB 线充电 《注一》 《注二》 二、研究目的 本研究探讨无线充电带来的便利,还有无线充电和有线充电的效能比 较,以下针对本研究目的,方法及步骤,分别探讨如下: (一)探讨无线充电的原理 (二)探讨无线充电带来的应用 (三)探讨有线充电和无线充电效能的比较 无线感应充电之探讨 2 贰正文 一、源起 谈到无线充电,就不能不提到美籍科学家尼古拉?特斯拉.他在 1891 年发明了特斯拉线圈,奠定了现今无线充电技术的基础.到了现代,Intel 在2010 年的 CES 上展示无线供电技术,透过 2 个巨大线圈隔空传输电力, 让另一端 60W 的灯泡成功发亮.愈来愈多的发明也证明,无线传输技术已 经可以运用在各种电子产品上,如防水性、密封式的电子产品,无线传输 技术逐渐成熟与普及. 图三:Intel 展示无线供电的技术 《注三》 二、原理与现象 法拉第电磁感应定律是电磁学中的一条基本定律,跟变压器、电感元 件及多种发电机的运作有密切关系.定律指出:任何封闭电路中感应电动 势的大小,等於穿过这一电路磁通量的变化率. 当线圈内的磁场产生变化时,线圈會产生电流,这现象被称为电磁感 应,此电流为感应电流. (a) 如下图,接通或切断电源瞬间,會造成 B 线圈内的磁场发生变化, 因而产生感应电流,而使磁针发生偏转(磁针要置於导线下方). (b) 接通瞬间,磁针會逆时针偏转. (c) 切断瞬间,磁针會顺时针偏转. (d) 接通或切断瞬间,磁针之所以會偏转的原因,是因为与 B 线圈连 接的长直导线产生电磁流效应的关系. 无线感应充电之探讨 3 (e) 若开关保持接通,则磁场没有变化,虽然有磁场,但没有感应电 流,磁针还是不會偏转. (f) 感应电流的大小和单位时间的线圈内的磁场变化率成正比,和磁 铁与线圈间相对运动的速率成正比,和螺线管缠绕的线圈匝数成 正 图四:电子感应图 《注四》 这是种无线电力传输方式,通过发射端和接收端的线圈互相感应产生 电流,从而实现电力传输的技术.简单来说,其实是国中物理课本就有提 过的"法拉第电磁感应定律",如下图,是透过电磁感应式的原理运作. 运行方式很容易,首先从电力端(充电器)的线圈提供电力,充电器的线圈因 此产生磁力,而接收电力端(如手机、行动电源)线圈感应到磁力,进而将磁 力转换成电力. 图五:无线充电器充电原理 《注五》 无线感应充电之探讨 4 使用时 2 个线圈不需要接触就能透过电磁感应达到传导的目的,当然 设计上没这麽简单,还要考虑双方线圈的尺寸、接触距离等因素呢.这些 变因都會影响到充电效率.目前电磁感应式传输,可用範围大约在 30mm 以内,属於短距离传输. 三、应用 无线感应充电技术带来了传输电力的新想法,不单增加了便利性,也 突破了空间上的局限.除了本研究所探讨的手机之外,还有应用於其他电 子器材,列举如下表一. 表一:各式无线充电器材 编号 种类 範例 说明 1 行动装置的无 线充电 《注六》 现代人已经越来越离不开 手机之类的电子小产品 了,但是频繁充电既麻烦 而且经常拔插接头及容易 损坏,使用我们的无线充 电模组,只要把手机放在 充电平板上就能自动充 电,还能随时拿走或者接 聽电话. 2 亲水类产品的 供电 《注七》 例如电动牙刷、电动剃须 刀这类产品经常和水接 触,通常很难对充电口进 行防水处理,采用无线充 电,可以将电动部分完全 密封,彻底防尘防水,并 且提高产品档次增加附加 值. 无线感应充电之探讨 5 表一(续):各式无线充电器材 编号 种类 範例 说明 3 设计防水手机 或者对讲机 《注八》 市面上的手机、对讲机一 般都采用插接式触点充 电,这样很难进行真正的 防水,采用无线供电可以 进行全密封设计彻底防 水. 4 人体医疗领域 《注九》 有些医疗器材必须在人体 内部工作,如定时药剂 泵、胶囊内窥镜等,采用 无线供电方案可以大大延 长器材的工作时间,极具 实用价值. 四、有线充电和无线充电效能的比较 有线与无线充电的效能取决於许多因素,不尽相同,列举如下表二: 表二:有线充电和无线充电效能的比较 充电类型 影响因素 说明 线材的长短 线短,电阻相对的也低,可以提供更高的电流,相 对的线越长,损耗就越多,电流就越少. 线材的粗细与品质 越细的导线,能提供的电流也就越小,用来传输电 力就有过热或是电流过低的问题. 有线充电 USB 接头的抗阻 品质越好的 USB 线會用更好的接头 , 可以降低电阻 . 无线感应充电之探讨 6 表二(续):有线充电和无线充电效能的比较 充电类型 影响因素 说明 感应距离 无线充电的 TX 和RX 装置相隔不能太远,在1~2 公分的距离内才能有较佳的充电效果;一旦距离过 长,能量的衰减将逐渐增加. 转换功率 相较於直接的有线充电,无线充电的的损耗较大, 传输效率不高,极易造成电能的浪费.因此无线充 电技术还需要提高其整体充电效能才能提升使用者 转而采用的意愿.另外,充电的功率也还未达有线 充电的程度. 安全性 在电流充电的情况下會不断产生热能,导致充 电的平台与装置會有过热情形发生. 在充电平台与装置间,应具有适当的异物侦测 功能才能排除其他物质的干扰. 传输电流容易受到其他讯号干扰如手机来电或 来自其他电器的讯号,进而影响充电功率. 无线充电 相容性 不同装置与充电器的相容性与互通性问题,即使有 过Qi 认证的装置也还是存在无法充电的情形,对整 体安全性来说仍有一大疑虑. 参考表二的各项因素,我们用如图六所示的简单感应线圈,透过无线感应的 原理来替智慧型手机充电,并於每廿分钟纪录电池充电情形. 图六:实测无线感应充电 无线感应充电之探讨 7 参结论 我们将智慧型手机,利用有线充电和无线充电分别为智慧型手机来充电,比 较其充电的效能,并绘制曲线图如图七所示. 图七:无线与有线的充电比较图 虽然无线充电的效能还比不上有线充电快,但是充电的曲线走势还算平稳, 代表无线充电可以稳定的提供电力输出,是值得发展的趋势.现在的无线充电已 经慢慢运用在许多的电子产品上,期望在科技进步迅速发展的影响下,不久后可 以看得到无线充电处处普及的时代. 肆引注资料 《注一》科技报橘.2012 年手机充电器规格统一,有个 USB 插座让你充电更 方便! .民103 年3月5日,取自:http://goo.gl/MzO7N 《注二》网易手机.OPPO Finder 无线充电套件曝光 使用方便.民103 年3月9日,取自:http://goo.gl/zttYZ4l 《注三》电脑王.DIY 手机无线充电:不破保固千元改机、步骤讲解、充电效 率实测.民103 年3月12 日,取自:http://goo.gl/irrPf 无线感应充电之探讨 8 《注四》国中电磁学.民103 年3月13 日,取自:http://goo.gl/D3QOky 《注五》香港矽谷.诺基亚 Lumia 920 能用电磁炉充电.民103 年3月15 日, 取自:http://goo.gl/ejxDGc 《注六》360doc 个人图书馆.无线充电电路.民103 年3月18 日,取自: http://goo.gl/TmMI8w 《注七》 TechNic Direct.充电技术不设「线」 百佳泰有线、无线充电效能实测 与评监报告.民103 年3月5日,取自:http://goo.gl/hpK4e2 《注八》DANNOW.USB 充电的秘密.民103 年3月7日,取自: http://goo.gl/nl9DrW 《注九》 agrifica.com . 归元胶囊相机 . 民103 年3月7日,取自 : http://agrifica.com/ 张文亮(著) .(1999).电学之父-法拉第的故事.台湾.文经社. 梁衡(著).(2008).数理化通俗演义(上) .台湾.凡异. 梁衡(著).(2008).数理化通俗演义(下) .台湾.凡异.