DQZHAN訊：無線輸電到底靠不靠譜？
無線充電技術在電動牙刷、剃須刀、手機上已經有了一些應用，電動汽車無線充電也有了初步的試驗。如果無線充電可以實現，那么我們是不是可以省去高壓輸電線路實現無線輸電，甚至還可以接收太空太陽能電池發來的電能，徹底解決人類輸電和用能問題呢?今天小編嘗試說說無線輸電靠不靠譜。

無線輸能在破解無線輸電的問題前，讓我們先把無線輸電的范圍拓展一下吧——“無線輸能”。能量的概念包含更廣，太陽光就是*常見的“無線輸能”，那可是跨越1.5億公里、長達45億年的無線輸能。首先來看看有什么能量形式，再看他們能不能“無線”傳輸。世界上的能量形式我們早已熟知，高中物理就學了四種：力、熱、光、電。再加核能和化學能，大概就這六種能源形式(其中的力是指機械能，電是指電磁能)。核能和化學能所來源的原子力和化學鍵力是不可能遠距離傳輸的，所以我們只考慮機械能、熱能、光能和電磁能四種能量傳輸。先說有線傳輸對應的四種常用方式：機械能的傳輸對應剛性桿傳輸，鋼桿是機械能的載體，例子如汽車的傳動軸;光能傳輸對應光纖，光纖是光的載體;熱能對應熱的良導體，比如各種金屬;電磁能對應導線或鐵芯，都是電或磁的良導體。有線傳輸的特點就是，這個通道的阻力很低：鋼桿對機械能無損失，光纖對光能損失小，良導體的熱阻小，導線的電阻小，鐵芯的磁阻小。這樣我們才能在遠端收獲到損失較小的能量。

哪些能量可以無線傳輸無線傳輸就沒有這些“低阻通道”了，只有空氣，或者什么都沒有的真空。四種能量在空氣或者真空中傳播的效果如何呢?首先是機械能和熱能，二者必須有介質才能傳播，真空無法傳播，而空氣中兩種能量都會向四周彌散，導致傳播效果不佳。光能傳播不需要介質，人類可以利用激光進行大功率的光能傳輸，激光甚至可以做成激光炮。但激光對地形和天氣要求高，光只能走直線，并且不能被空氣中的顆粒漫反射，否則損耗太大。即便可以傳輸，在發射和接受兩端，由電變光和由光變電的效率都較低，成本卻很高。也許未來只有太空能量通過激光傳輸到地面有一定可行性。剩下只有電能了，我們平時接觸到的電能只有50或60赫茲，是非常低的頻率，電磁波的波長達五六千公里，這么長的波長對一般輸電距離而言是沒有電磁波特性的(地球的赤道約四萬公里)，因而電磁感應是電能傳輸的主要方式。我們現在應用的無線充電技術，以及實驗室內的無線輸電技術，都是利用電磁感應原理。附錄一解釋了電磁感應和電磁波二者區別。
無線輸能的要義既然空氣或真空對能量傳輸是一條“高阻通道”，想要能量順利傳輸過去，不因“高阻”而四散彌漫，只有一個方法——諧振!激光是一種諧振的光源，收音機靠諧振接收信號，同樣電能傳輸也需要諧振的幫助。諧振的詳情請見問下的附錄二，詳細闡述了諧振的概念，以及各種能源的諧振實例。

電能的無線傳輸我們需要建立諧振頻率是50Hz的一條回路，這樣就能把電能傳輸過去了。話雖如此，但實現起來并不好辦。現實的環境太復雜了，電場和磁場會在空中遇到各種各樣的障礙物，遇到建筑的鐵或者鋼，電磁場就會被吸收，專業術語叫“屏蔽”(類似于把手機放在一個封閉鐵盒里就沒信號一樣，所有信號都被鐵盒吸收了)。我們設計回路參數時，想充分考慮沿路所有鋼鐵所構成的電容電感，實在太困難了。(電容和電感是電學中*常見但也是*難理解的概念，有機會小編會寫一期介紹電容和電感的物理本質是什么)目前也有無線輸電的應用案例，比如無線充電的牙刷、手機、汽車，這些案例中的一個共性就是距離短。牙刷和手機都安放在充電座上，無線充電汽車的底盤與地面貼的也非常近(30cm以內)。距離近的目的只有一個，減少周圍環境的雜散電容電感的影響，以便我們設計的回路能夠*大限度的傳輸能量。當然，從另一個角度說，這也是為了提高能量的傳輸效率。距離越長，雜散的電容電感越多，他們吸收的能量也就越多，能傳到目的地的能量就越少，能量傳輸效率也就很低了。所以從雜散參數影響的角度來說，完成長距離的無線輸電是件幾乎不可能的事，因為雜散參數和各種屏蔽的影響幾乎無法去除。

電磁波的方式無線輸電是否可行?既然電磁感應的方式并不樂觀，那電磁波的方式是否可以?有人也提出了微波無線輸電。電磁感應與電磁波的區別只在于頻率，或者說波長與傳輸距離的比例。波長比傳輸距離長，則是電磁感應原理，否則就是電磁波的傳輸原理。電磁波的傳播方式同廣播信號是一樣的，是四散彌漫的，只要是彌漫，就缺乏效率。廣播電視信號是可以彌漫空間的，但因為傳輸的只是信號，能量很低，效率低就低了;但如果大功率的電能彌漫空間，不僅僅要求有很大的功率發射和接收裝置，而且空間中彌漫著大功率的電磁波，人們會覺得像是生活在微波爐中。目前，輸電線路周圍的電磁環境問題已經引起了人們的質疑，不知道如果有看不見的大功率電磁波包圍著你，你會作何感想。
綜上所述，小編對未來長距離輸電抱以謹慎的悲觀態度。

附錄一：電磁波與電磁感應電磁波與電磁感應的區分只在于波長與傳播距離的關系。如果波長遠遠短于傳播距離，則發射端周圍先有變化的磁場(或電場)，接著向外延伸感應出變化的電場(或磁場)，再向外延伸……從接收端看，就是交變的電磁場向這邊蔓延過來，體現“波”的性質。如果接收端距離發射端很近，遠小于波長，則發射端電場和磁場的一點點變化都會迅速傳導到接收端，也引起同樣的變化。從接收端看就沒有波的性質，只有感應。附錄二：諧振與電磁感應變化的電場產生磁場，變化的磁場產生電場，即電磁感應。在說電磁感應諧振前，我們先舉一個例子，在推小孩蕩秋千的時候，如何能使秋千越蕩越高呢?肯定是隨著秋千擺到*高點后，正在下落的時候推上一把，而且每次都要同一個時間才行。這個時間間隔是有公式直接能算出來的，即單擺公式：時間=2π乘以根號下(擺繩長度L除以重力加速度g)，由伽利略發現。T=2π×√(L/g)T只與擺繩長度有關，是個常數。也就是說，不管什么人坐秋千以及秋千擺多高，一個來回的時間都是固定的。這個原理也是鐘擺的原理，不管鐘擺長什么樣、擺多高，擺一個來回就是1秒鐘。

推的人必須按照這個時間間隔出手才能讓秋千越蕩越高。頻率與時間互為倒數，換句話說，人只有以這個頻率發力，他的力道才能*完全的傳遞到秋千上。這個頻率就可以叫秋千的固有頻率。固有頻率也叫共振頻率或諧振頻率，振動是一種往復運動;共振就是一起振動，諧振就是一塊“和諧”的振動，都是其他東西和這個物體的固有頻率一致了，兩個一起振動。所以三個詞通用，只是根據習慣和歷史用在不同領域。

在力學里這個頻率應用廣泛，我們聽過士兵齊步走時，大橋垮塌的例子，這就是士兵走步的頻率與大橋的共振頻率一致，踏步的力量*大限度的傳給了大橋，大橋接受的力量(能量)越來越大(跟秋千越擺越高一個道理)，*后垮塌了。美國也有微風吹大橋*后垮塌的例子，也是微風的頻率等于橋的共振頻率。建筑師們設計樓房的時候也要考慮如何不讓房屋的共振頻率等于地震波的頻率。光學里的諧振頻率也是固有頻率。例如光學諧振腔就是激光發射器的必要組成部分，光在這個腔中發生諧振，匯聚的能量越來越大，*后成了高能量的激光。不管是力學還是光學，固有頻率都有一個特征：在這個頻率下做功，整個過程的損耗*小，傳遞的能量*多。在電學里同樣也叫諧振頻率。在這個頻率下，整個回路中的電阻*小，傳輸的能量*大。諧振頻率是由傳輸回路的電感和電容決定的：f=1/(2×π×√LC)，或者T=2π×√LC是不是跟上面的單擺公式很像，都是2π乘以一個根號下的什么東西。頻率f是諧振周期T的倒數。L是電感，C是電容。我們小時候制作收音機，里面都有兩個半圓的金屬片，扭動旋鈕，兩個金屬片相對的位置會改變，面積改變會改變電容值C，進而諧振頻率會改變。我們平時廣播中聽到的調頻98.5兆赫或者中波792千赫，就是指的諧振頻率的大小。空氣中本來就彌漫著各種電波，當我們調收音機到某一諧振頻率時，這個頻率的能量傳輸路徑上的損耗*小，傳輸的能量*大，所以我們就收聽到這個電臺了。稍微再旋轉下按鈕，這個太會慢慢變得不清晰，就是因為收音機的諧振頻率變了，傳輸路徑阻力大了，傳過來的能量沒那么大了。(這里有個通用的概念，叫品質因數，描述在諧振頻率下傳輸能量與非諧振頻率下傳輸能量的比值的。概念來源于廣播，我們在某個電波頻率下聽節目很清楚，稍微動一下旋鈕就不清楚了，說明這個頻率下能量傳輸的效果非常好，聽得清楚，“品質”就高。)利用電磁感應原理傳輸電能也是如此，我們需要建立一條可以在50Hz發生諧振的電路，以便讓電能*大限度的被接收。

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