出品：科普中國
製作：劉翠翠（中科院半導體研究所）
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
Little A:"誰有手機充電線？"
Little B:"我有充電寶，但是沒帶Type-C的充電線……"
Little A: "……"
△（圖片來源：https://www.freepik.com/free-vector/man-covering-eyes-with-hand-doing-stop-gesture_4758513.htm）
眾所周知，手機、平板等電子產品雖然給大家的生活帶來了很多便利，但頻繁的充電問題卻讓人頭疼。一根根充電線、一個個充電頭；大大小小、各不相同。倘若出門不帶它，就很可能陷入"失聯"的尷尬境遇。
早在2017年10月，無線充電手機大家族就迎來了3名新成員：iPhone 8、iPhone 8 Plus和iPhone X。蘋果公司憑藉著自己強大的影響力，也將無線充電技術真正地帶進大家的視野之中。無線充電技術具備先天的優勢——便利性，它能避免插拔充電線時"打火"現象的產生，對充電口無損傷，也讓移動設備成為無線充電技術最早的"用戶"之一。
可是，怎麼這麼長時間過去了，還是有很多人選擇不信任"無線充電技術"，堅持對"剪不得，還理不清"的充電線"愛得深沉，愛得久長"呢？在這裡，筆者要為無線充電技術"正名"，還給您一個清晰真實的無線充電技術原貌。
△（圖片來源：https://www.freepik.com/free-photo/top-view-man-s-hand-typing-laptop-connected-with-power-bank-cellphone_2652932.htm）
△（圖片來源：https://www.freepik.com/premium-vector/wireless-charging-pad-with-mobile-phone-smart-watch_4310443.htm）
從被髮明到如今，經歷了140年之久的無線充電技術，在不知不覺中默默地"潛入"我們的生活：不僅是手機、平板、智能手錶等小型電子設備，電動汽車等大型設備也都成為了無線充電家族的成員。所以，先一起了解一下無線充電是如何實現的吧！
三種無線充電的原理
1、電磁感應無線充電——傳輸距離太短
隨著手機等小型電子產品的普及以及德州儀器、飛利浦、三星、東芝等公司的推動，電磁感應充電技術成為目前手機等小型電子產品行業應用最為廣泛的無線充電技術。
顧名思義，電磁感應無線充電技術利用的就是電磁感應原理。對！你沒有聽錯，就是我們中學時學過的那個電磁感應。
這個充電系統主要由兩個線圈組成：初級線圈和次級線圈。首先，給初級線圈通以一定頻率的交流電，由於電磁感應的作用，在次級線圈中會產生一定的電流，因此能量就從傳輸端轉移到了接收端。
將這個原理應用到手機上，則是充電底座內存在一個初級線圈，手機終端內置次級線圈。當手機與充電座靠近，基於電磁感應，在手機接收線圈就會中產生一定的電流，就可以在沒有充電線的狀態下對手機進行充電了。
不過，電磁感應無線充電技術也有著很大的缺點，其中最讓人頭疼的就是傳輸距離受限。目前，這種技術的有效充電距離只有10mm，並且如果兩個線圈位置沒有對準，也很可能會出現問題。
（圖片來源：參考文獻[9]）
2、磁共振無線充電——傳輸距離長、供電效率高，但需要調頻
2007年6月7日，麻省理工學院的研究團隊在《science》上發表成果，稱：成功"抓住"了電磁波。他們將銅製線圈作為電磁共振器，傳送方送出特定頻率的電磁波後，經過電磁場擴散到接受方，併成功為一個兩米外的60瓦燈泡供電。
所以，使用這種充電也需要兩個裝置：能量發送裝置和能量接收裝置。而實現能量傳輸的條件就是這兩個裝置需調整到相同頻率。比如兩個線圈作為共振器，發射端以10MHz頻率振動向周圍發散出電磁場，而接受端需要同樣以10MHz頻率振動，才能實現能量傳輸。
磁振器是由小電容並聯或串聯而成的大電感線圈組成。相比於電磁感應，磁共振無線充電的傳輸距離更長、供電效率更高，並且支持一對多的供電方式。不過最大的困難在於：如何使兩個電路獲得相同的頻率，調頻是這項技術中最核心的一步。
（圖片來源：參考文獻[9]）
3、無線電波輸電——傳輸距離可達10米，但效率低
通過無線電波輸電的原理是：將電磁波轉換為電流，再通過電路傳輸電流。
無線電波輸電系統主要由微波發射裝置和微波接收裝置組成。微波發射裝置發射無線電波，微波接收裝置捕捉無線電波能量，並隨負載做出調整，得到穩定的直流電。
理論上，這種無線充電方式傳輸距離相比電磁感應方式以及磁共振方式都遠，可達10米以上；而且也可以實現自動隨時隨地充電。但是，這種方式也存在很大的缺點，那就是比較低的傳輸效率。
· （圖片來源：參考文獻[9]）
（圖片來源：作者自制）
都9102年了，無線充電技術為什麼還沒普及？
雖然針對手機的無線充電技術很久之前就被提出，但令人疑惑的是：這麼多年過去了，此技術仍舊前進緩慢，到底是為什麼呢？
原因一：充電距離限制
普通手機充電器要帶一根充電線，還要有合適的充電頭或者充電寶；而無線充電發展了這麼多年也僅僅是做到了幾十毫米距離內的無線充電，這意味著我們外出的時候仍然需要帶充電寶或充電頭。
原因二：無線充電的穩定性和高效難以兼得
以蘋果5W無線充電器為例，考慮到傳輸效率，將iPhoneX充滿電大約需要3小時以上；採用7.5W無線充電器充電也需要近2.5小時。雖然2019年市場上出現了20W無線充電器，以及無線充電寶，但是它的穩定性及充電效率，仍舊是縈繞在消費者心頭的大問題。
原因三：無線充電對電池壽命的影響
儘管無線充電技術已經發展多年，但目前市場上份額最大的還是手機領域。所以，我們不得不考慮：無線充電到底會不會縮短手機電池的使用壽命？
△（圖片來源：https://www.freepik.com/premium-vector/battery-icons_1961697.htm）
關於延長電池使用壽命的方法參考了蘋果公司官網的方法：
iPhone的電池設計可在經過500次的完全充電循環之後，仍能保有多達80%的原蓄電量。完全充電循環是指100%的電量用完之後，進行充電才會計算1次，不是每次插上充電就會計算。假設今天你用一半的電量（50%），插上充電線充滿之後，隔天拔掉再使用一半的電量（50%），然後再次充滿，這時充電循環次數只會算1次（50%＋50%），而不是插上充電的2次。
最近，外媒ZDNet的編輯也因為自己的iPhone 8 Plus的電池電量儲存量下降過快而心生疑惑：無線充電是否會對手機電池壽命產生影響呢？所以，他通過對iPhone 8 Plus手機電池電量以及充電循環次數的記錄，證明了"無線充電確實會對手機電池壽命產生影響，電池老化速度甚至會加快50%"的結論。
這位求知慾極強的小編分析電池壽命下降的原因得知：也許是因為無線充電模式下，手機仍舊以電池供電的模式供手機消耗；而在非有線充電模式下，手機則以外置充電線供電的模式供手機消耗，因此，在無線充電模式下，手機電池的完全充電循環會更多。
△（圖片來源：https://www.veer.com/photo/123688187#%E6%89%8B%E6%9C%BA%E6%97%A0%E7%BA%BF%E5%85%85%E7%94%B5&3RQ2A72）
當然，也有人對此實驗結果表示否定，認為電池壽命的長短主要是製造商的問題，與無線充電方式無關。筆者分析認為，因為無線充電手段使用了無線充電模塊，本身就會導致手機在充電時的內耗增加。此外，還會產生相對於有線充電模式更多的熱，熱積累也會導致手機器件使用壽命的減少。
但是，因為有了無線充電，我們才沒有了雜七雜八的充電線的困擾，無線充電寶更是能隨時隨地給你的手機"力量"，所以無線充電可以極大地方便我們的生活。也許現階段手機無線充電仍舊存在一些弊端，但是我們相信科技的力量，它會讓我們在不久的未來隨時隨地、高效地為手機和電腦充電。
最後，針對於目前的情況，筆者給出建議：給手機充電最好的方式是——線充為主、無線為輔。但是，針對"到底是有線充電方便快捷，還是無線充電更勝一籌"這一問題，有一個特殊群體不用考慮它，那就是——土豪。不明白？土豪會care電池損壞的速度嗎？
參考文獻：
[1]石丁,米國挺,王亞亞.淺析無線充電技術原理及前景分析[J].科技風,2019(07):219.
[2]顧祥語.無線充電技術發展現狀與發展趨勢[J].電子製作,2018(22):67-68.
[3]王西平.電磁感應技術在手機無線充電中的應用[J].電子技術與軟件工程,2018(19):112.
[4]王光宇.淺析無線充電技術的主要分類及應用現狀[J].中國新通信,2018,20(18):99-100.
[5]孟慶奎.手機無線充電技術的研究[D].北京郵電大學,2012.
[6]王洪博,朱軼智,楊軍,孫倩.無線供電技術的發展和應用前景[J].電信技術,2010(09):56-59.
[7]LeonAlice_3.無線充電的原理是什麼[EB/OL]. https://jingyan.baidu.com/article/11c17a2cd041cdf446e39dcb.html.2018-05-14.
[8]科星人.聊聊無線充電技術：會損害手機嗎？未來能傳多遠？[EB/OL]. https://new.qq.com/omn/20190220/20190220A02FP6.html. 2019-02-20.
[9] 溫超. 新能源汽車磁耦合共振式無線充電系統研究[D].青島大學,2017.
