无线充电技术

在過去的百年之中，作為電器與插座之間的連線，電線已經成了一種習慣且不可或缺的存在。儘管無線充電技術在實驗室中已存在多年，卻始終因為需求不高而無法量產。不過，這一切將在不久的未來改變，一場以無線充電為主角的科技革命，正以近年來被廣泛使用的各種行動設備為先鋒，悄悄地拉開序幕。



〈繪圖：默伊〉

智慧型手機普及後，有句話也變得常聽到 —「我手機沒電了」。排名在這句話之後的是「你有行動電源嗎？」、「你有帶線嗎？」、「能借我先充個幾分鐘嗎？」

現在的智慧手機需要充電的頻率比十幾年前的小海豚或 Nokia 3310 還來得頻繁，因為手機需要支援的功能越來越多，但電池技術卻沒有相對應的突破，消費者只好提醒自己在包包裡放個行動電源，辦公室跟家裡都放一條充電線。也因為電池技術遲遲沒有大幅進步，科技研發方向便比白海豚早一步學會轉彎，從「提升手機續航力」轉變為「讓充電變得更為方便簡單」。

在這樣的時空背景下，無線充電（wireless charge）技術因應而生。

無線充電原理

無線充電的基本原理是高中物理課教過的電磁感應（文章末尾有介绍，磁生电和电生磁的相关知识）：充電器裡面包含一個傳送線圈，這個線圈可以將電流轉變為磁場。而在接收端
（可以包含在手機裡）則利用另外一個接收線圈將感應到的磁場轉換回電流。如此一來，接收端就可以在不插線的情況下，由充電器接收電能。



無線充電原理示意圖

圖片來源：synergytek

截至 2013 年底，全球約有 62 支手機支援無線充電，各大品牌如 Google nexus 系列、Nokia Lumia 系列等都在其中，hTC 也有好幾支手機支援。Apple 更在 2013 年揭露的一項專利裡明確指出，他們有計劃讓所有 iMAC 的周邊裝置，如鍵盤、滑鼠、ipod等，都能夠透過 iMAC 無線充電，這樣一來，整張電腦桌上就不再會有電線存在了。一眼望去，無線充電儼然是未來不可避免的趨勢。

但是，稍微冷靜想想，無線充電之於有線充電，並不像當年無線網路之於有線網路那樣能替使用者帶來壓倒性的便利。目前宣稱「無線」的無線充電，是不能讓你把手機隨便扔在房間某個角落都能充電的；而是得乖乖地放在距離充電器不超過數公分的地方，而充電器本身也必須要插電。這樣一想，唯一的差別只有――省下充電器插進手機這個步驟。

這麼小的改變，值得投入這麼多研發，值得消費者掏腰包嗎？

值得的。所謂「善弈者謀勢，不善弈者謀子」，意思是擅於下棋的人懂得全盤考量，著眼於未來的趨勢；不擅下棋的人，僅專注於眼前的得失。許多科技大廠著眼於無線充電，正是相中了它擁有改變未來的潛力。各位讀者不妨想像自己是公司決策者，這盤無線充電的棋，你會怎麼下呢？

第一子：行動通訊

跟有線充電器比起來，無線充電器擁有一些難以掩蓋的優勢：

1. 多****點充電：傳統充電器只能充一支手機，無線充電器可以為多支手機同時供應電力。這個優勢目前還不明顯，畢竟很少人同時擁有多支手機 (除非你想把手機放在媽媽房間跟她共用一個充電器 …)。但隨著穿戴式設備興起，手錶、眼鏡加上兩支手機，或許你就會放棄四條線加上四個傳統充電器而選擇一台無線充電器。



一對多無線充電器

圖片來源：Powerbyproxi

2. 隱藏設計：充電器其實說穿了，只是一個線圈加上一些電路，所以可以整合到任何外觀具有平面的設備中（目前還需要是平面，以後就不需要了）。像是檯燈的燈座、電腦或電視螢幕的底座、個人電腦頂部等。消費者或許不會特別去買一台無線充電器回家為手機充電，但在挑選兩台規格差不多的個人終端時，或許就會多付幾百元選擇具有無線充電功能的電腦。





華碩所推出支援無線充電之高階機種

圖片來源：Asus

3. 無所不在：試想，如果你在咖啡店念書或是在捷運站等人，發現手機快沒電了只要往旁邊桌上一擺就開始充電，從此你還需要擔心手機沒電嗎？利用前述的隱藏式設計，無線充電器可以被嵌入各種各樣的家具、家電乃至建築物中。想像一下，從此出門不再需要行動電源、不再需要帶充電線、不再需要找插座，這該具有多大的便利性，又意味著怎樣巨大的市場呢。

事實上，比利時的魯汶車站、阿姆斯特丹機場、或美國某幾間星巴克，都已經推出無線充電服務，消費者只要把手機擱在桌上特定的位置就能充電。那手機沒電時，前方有兩間咖啡廳，兩間都有咖啡，但只有一間可以讓你充電，你會選擇哪一間呢？



星巴克提供的無線充電服務 （手機下方黑色圓盤即是無線充電器）

圖片來源：ComputerWorld

4. 完全防水：無線充電的關鍵不僅僅在於少了一條線，更重要的是移除了充電接口。這對 Google 眼鏡、智慧型手錶等穿戴式設備來說是相當重要的，因為這類設備要求防汗、防水，而移除充電接口可以讓穿戴式設備防水功能更好。



高通推出的無線充電智慧錶

圖片來源：Digital
Spy

無線充電讓「充電」這件事更不著痕跡地鑲進我們的日常生活之中，順應未來科技與生活結合的趨勢。

第二子：家電用品

無線充電是一項能應用在所有電器設備上的技術。想像一下，傳統的廚房裡需要一條延長線，常常不是因為電線太短，而是因為插座太少。烤箱、果汁機、麵包機、電鍋、微波爐，插得密密麻麻，彷彿保險絲隨時都會燒斷。

無線充電不僅可以幫你拔掉這條延長線，連插座都不用了。

中國最大家電商青島海爾集團於 2013 年推出的「無尾系列家電（Wuwei）」即是瞄準這項應用。這些不需要電源線的電鍋、果汁機，將取代傳統的家電而讓整間廚房變得更加清爽且安全。拿掉了電線，就不再需要插座，自然也不會漏電、觸電。使用時只要將電器放在流理台上的某些特定位置，就自然可以開始運作。

而將充電器整合進流理台之後，電路就可以與整間房子的供電系統結合並重新設計，降低因同時使用過多電器所造成的走火風險。換句話說，無線充電技術帶來的影響不僅限於電器用品，還及於家具、配線、裝潢以及建築設計。





海爾集團推出之無尾系列家電，果汁機下方圓盤即為無線充電器

圖片來源：新文化網

第三子：交通運輸

隨著燃油的消耗及油價的上漲，電動車的普及是不可避免的趨勢。但電動車有一個顯而易見的缺點，就是充電耗時甚久。萬一出門在外車沒電，有多少人願意在充電站前等待半小時乃至一小時為汽車充電呢？但不充又不行，難道要賭一下會不會沒電拋錨在路邊嗎？

讓我們換一種思考的角度，如果電動車可以無線充電，那只要在停車格上嵌入無線充電器，不就可以解決充電時等待的問題嗎？駕駛人無論是路邊停車、逛百貨公司停地下室、乃至一般停車場停車的同時都可以為汽車充電，這樣在技術上並沒有縮短電動車充電的時間，但利用的是本來就有的停車時間而不需要額外的等待時間。

如此一來，只要電動車足夠普及，我們還會需要加油站嗎?





紐約街頭的實驗 – 在停車格裡的水溝蓋整合無線充電器

圖片來源：ZME
Science

南韓科學技術院和高通（Qualcomm）還各自做過研發專案，將無線充電器鋪設在道路上，讓電動車能在道路上邊運行邊充電。這主要是為了固定運行路線的車輛而設計的，在南韓的例子是公車系統，而高通針對的是賽車。

第四子：專業領域市場

經過前三子，各位應該可以感受到無線充電的龐大商機。但事實上，無線充電的潛能還不只於此。顛覆完大眾市場後，無線充電還可以滲透到許多專業領域，讓許多原本不可能的應用實現。比方說醫療領域裡，植入人體的電子儀器無法使用傳統的有線充電，當電池耗盡時就得重新開刀更換電池，造成許多醫療電子儀器不便利、甚至不可行。但如果使用了無線充電，即可以解決這個問題。先前介紹過的膠囊內視鏡，預計在未來即會加入無線充電的功能。

另一項無線感應網路（wireless sensor network）技術，常應用於環境監測，例如在辦公室裡裝滿溫度感應器，便可即時得知辦公室各區域的室溫，進而最佳化空調系統。這種無線感應網路，感應器的數目龐大，無法使用有線充電，也沒辦法一顆顆電池慢慢換，唯有依賴像無線充電這樣的技術，或是利用周遭天然能源發電，才能確保能長期使用無線感應網路。

無線充電技術的願景是創造一個沒有電線的世界，而不僅僅是為了單一產品而存在。

無線充電的障礙

然而，無線充電迄今沒有全面普及，許多應用也依然停留在實驗產品的階段，自然是有著各方面的原因。有些是技術上的原因，比如充電效率雖然不低，但與有線充電比起來依舊差強人意。

有些是實作上的安全問題，比如路邊的無線充電停車格可能會漏電，電死路過的小動物。根據研究顯示，無線充電運作時，放在充電器上的金屬物品會因為電磁效應而升溫，電磁波對人體健康的疑慮更是從來沒少過。因此，方便是方便了，但在大規模採用之前，人們還需要更嚴格的國際認證與檢驗標準。

其次是政治因素。目前國際間有三大制定無線充電標準的聯盟，分別是無線充電聯盟（WPC）、無線電力聯盟（A4WP）與電力事業聯盟 （PMA）。不同聯盟間的競爭就像當年
WiMAX 與 LTE 的 4G 之爭一樣。在沒有塵埃落定之前，許多業者依然會持觀望態度，不願意針對某一項標準投入大量資源。

結論

根據 IHS Technology 的研究報告指出，全球無線充電市場在 2013 年雖然僅約 2 億美金左右，但之後幾年將大幅成長，預計在 2018 年時達到 80 億美金。四十倍的巨幅成長，充分顯示了國際間對無線充電市場的樂觀期望。

無線充電技術的願景是創造一個沒有電線的世界，是一項被期許可以改變人類生活方式的科技革命。在不遠的將來，當你看到周圍的人都把手機擱在桌上充電，而你得默默從包包裡掏出電源線找插座時，你就知道該去買一隻支援無線充電的手機了。

本文出自有物報告。

补充材料：磁生电

带你认识“磁生电”与“电生磁”

山东省邹平县第一中学　李　进

　　磁是什么？一般提起磁，有些人都觉得磁是较为少见的，好像主要就是磁石或磁铁吸引铁，情况真是这样吗？现代科学的发展已经表明这样的看法是不对的。现代科学研究和实际应用已经充分证实：任何物质都具有磁性，只是有的物质磁性强，有的物质磁性弱；任何空间都存在磁场，只是有的空间磁场高，有的空间磁场低。所以说包含物质磁性和空间磁场的磁现象是普遍存在的。

　　电和磁是不可分割的，它们始终交织在一起。简单地说，就是电生磁、磁生电。

　　一、磁生电

　　如果把一个螺线管两端接上检测电流的检流计，在螺线管内部放置一根磁铁。当把磁铁很快地抽出螺线管时，可以看到检流计指针发生了偏转，而且磁铁抽出的速度越快，检流计指针偏转的程度越大。同样，如果把磁铁插入螺线管，检流计也会偏转，但是偏转方向和抽出时相反。





　　为什么会发生这种现象呢？我们已经知道，磁铁会向周围的空间发出磁力线。如果把磁铁放在螺线管中，那么磁力线就会穿过螺线管。这时，如果把磁铁抽出，磁铁远离了螺线管，将造成穿过螺线管的磁力线数目减少（或者说线圈内部的磁通量减少）。正是这种穿过螺线管的磁力线数目（也就是磁通量）的变化使得螺线管中产生了感生电动势。如果线圈闭合，就产生电流，称为感生电流。如果磁铁是插入螺线管内部，这时穿过螺线管的磁力线增多，产生的感生电流和磁铁抽出时相反。

　　那么，如何决定线圈中感生电动势的大小和方向呢？从上面的实验我们知道，磁铁抽出的快慢决定检流计指针的偏转程度，这实际上是说，线圈中的感生电动势的大小与线圈内部磁通量的变化率成正比。这称为法拉第定律。



　　通过实验我们可以证实，如果磁铁抽出，导致线圈中的磁通量减少，那么在线圈中产生的感生电流的方向是它所产生的磁通量能够补偿由于磁铁抽出引起的磁通量降低，也就是说，感生电流所产生的磁通量总是阻碍线圈中磁通量的变化。这称为楞次定律。如图所示，如果磁铁从线圈中向上抽出，将使得线圈中的磁通量减少，这时如果线圈是闭合的，线圈中产生感生电流，该感生电流的方向是：它产生的磁力线的方向也指向下方，以补偿由于磁铁抽出导致的磁通量减少。

　　变化的磁场可以在线圈中感应出电流，这就是发电机和麦克风的基本原理。

　　二、电生磁

　　如果一条直的金属导线通过电流，那么在导线周围的空间将产生圆形磁场。导线中流过的电流越大，产生的磁场越强。磁场成圆形，围绕导线周围。磁场的方向可以根据“右手定则”（如图）来确定：将右手拇指伸出，其余四指并拢弯向掌心。这时，拇指的方向为电流方向，而其余四指的方向是磁场的方向。实际上，这种直导线产生的磁场类似于在导线周围放置了一圈N、S极首尾相接的小磁铁的效果。

图3 右手定则

如果将一条长长的金属导线在一个空心筒上沿一个方向缠绕起来，形成的物体我们称为螺线管。如果使这个螺线管通电，那么会怎样？通电以后，螺线管的每一匝都会产生磁场，磁场的方向如图中的圆形箭头所示。那么，在相邻的两匝之间的位置，由于磁场方向相反，总的磁场相抵消；而在螺线管内部和外部，每一匝线圈产生的磁场互相叠加起来，最终形成了如图所示的磁场形状。也可以看出，在螺线管外部的磁场形状和一块磁铁产生的磁场形状是相同的。而螺线管内部的磁场刚好与外部的磁场组成闭合的磁力线。在图中，螺线管表示成了上下两排圆，好像是把螺线管从中间切开来。上面的一排中有叉，是表示电流方向垂直指向荧光屏里；下面的一排中有一个黑点，表示电流方向垂直流向荧光屏外。

图4 螺旋管电磁场

　　电生磁的一个应用实例是实验室常用的电磁铁。为了进行某些科学实验，经常用到较强的恒定磁场，但只有普通的螺线管是不够的。为此，除了尽可能多地绕制线圈以外，还采用两个相对的螺线管靠近放置，使得它们的N、S极相对，这样两个线包直接就产生了一个较强的磁场。另外，还在线包中间放置纯铁（称为磁轭），以聚集磁力线，增强线包中间的磁场，如图所示。

图5　电磁铁	图6 电磁铁磁极

　　对于一个很长的螺线管，其内部的磁场大小用下面的公式计算：H=nI

　　在这个公式中，I是流过螺线管的电流，n是单位长度内的螺线管圈数。

　　如果有两条通电的直导线相互靠近，会发生什么现象？我们首先假设两条导线的通电电流方向相反，图（a）所示。那么，根据上面的说明，两条导线周围都产生圆形磁场，而且磁场的走向相反。在两条导线之间的位置会是说明情况呢？不难想象，在两条导线之间，磁场方向相同。这就好像在两条导线中间放置了两块磁铁，它们的N极和N极相对，S极和S极相对。由于同性相斥，这两条导线会产生排斥的力量。类似地，如果两条导线通过的电流方向相同，图（b）所示，它们会互相吸引。

图7 通电导线的磁场

　　如果一条通电导线处于一个磁场中，由于导线也产生磁场，那么导线产生的磁场和原有磁场就会发生相互作用,使得导线受力。这就是电动机和喇叭的基本原理。

作者簡介

朱峰森博士: 宏達國際電子（HTC） 在國際標準會議中之代表，也是目前唯一同時參與三大國際無線充電標準會議之台灣代表。

賴以威博士：任職中研院的EE PhD，曾於德國、香港、日本、美國外派研究。 喜歡將理工的訓練應用來觀察生活，推廣數學教育。受邀至多所大學、高中演講。 現為有物報告 (yowureport)、聯合報《閱讀數學》、CAREhER 、今周刊、均一教育平台、泛科學(PanSci)、果殼網專欄作家，著有散文集《再見，爸爸》、譯有《平面國》。 最愛的名言是 ： "If people do not believe that mathematics is simple, it is only because they do
not realize how complicated life is." 個人臉書請點此處

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