无线输电离我们还有多远?

作者:幽默丁格来源:蝌蚪五线谱发布时间:2016-11-21

神州十一号在天宫二号停留了一个月之久,试想如果天宫二号上的太阳帆板突然出故障,失去了电源,那么是否可以让国际空间站通过无线输电的方式给天宫二号输电呢?
 

  2015年3月, 日本三菱重工公司在地面实现了长达500米的微波无线输电,无线输电的工业用途的大门慢慢打开。随后,韩国三星等公司发明的无线手机充电器的上市和AR designs公司发明的无线悬浮手机充电器的众筹开始,手机的无线充电备受大众瞩目。

  前不久,据《今日俄罗斯》新闻社报导,俄罗斯火箭宇航“能源”公司的研发人员利用激光束,在1.5千米的距离上成功的对手机进行了无线充电。无线输电不仅可以利用到手机上,甚至还可以利用到家庭电网中,只要是需要供电的地方都可以利用无线输电传达。相对于有线输电而言,无线输电似乎看起来更加高大上,那么相对于有线输电而言,无线输电真的更加的安全可靠吗?无线输电距离我们还有多远?

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近:天宫二号,远:国际空间站(示意,不代表实际距离)

  有线输电

  如今,从国家电网到手机充电数据线,全世界都普遍采用有线输电的方式。为了防止人们不受电击,输电线或数据线都在最外层的表面采用绝缘材料包裹起来。但是,输电线必然存在着一定的电阻,这就意味着电流在传输的过程中肯定会存在一定的损耗。综合铜的优良导电性能和相对合理的价格,目前,广泛采用铜作为输电线的核心材料。当然,大千世界无奇不有,也存在一种新型材料——高温超导电缆,当该材料进入超导状态时,电流通过该电缆完全没有热损耗,遗憾的是,该材料价格昂贵,并且需要液氮在零下100多摄氏度的温度下长时间冷却,因而该应用受到一定的阻碍。

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高温超导输电线内部构造

  有线输电不仅存在一定的电量损耗,还在安装架设的过程中受天气和地形的影响,如最近我国即将竣工的首条天山输电线路——伊库750KV线路。该线路耗资20亿左右,并且由于身处天山,施工相当困难。于是,脑洞大开的人类就思考着一种新型的输电方式——无线输电。

  电磁感应输电

  随着手机的全球普及化,人们不仅追求手机的外观造型、手感和价格等,也逐渐重视手机是否能够进行无线充电。手机无线充电的原理其实很简单,就是利用了电磁学中的电磁感应原理(较为详细且有趣的介绍请移步《手机是怎样实现无线充电的?》)。

文章附图2

  著名的物理学家麦克斯韦建立起麦克斯韦方程组就是基于两个电磁学中的物理现象——变化的电场产生变化的磁场,变化的磁场产生变化的电场。由于在进行手机的无线充电时,电磁场作用的强度范围跟手机和发射器的相对距离紧密相关,因而,最初各大厂家的手机无线充电器都是和手机紧密相连的。但是如果手机和充电设备仍然是紧密相连的,似乎所谓的“无线充电”就失去意义了。因而,脑洞大开的AR designs公司又在此基础上实现了真正意义上的无线充电——OVR charge(无线悬浮充电)。毫无疑问,该款手机之所以能够悬浮起来,就是利用了同性磁的排斥作用,只需在手机的后盖和充电底座上安装相应的磁性物质即可。

文章附图3.动态图

  其实,不管是手机还是其他的需要充电的设备,理论上都可以利用电磁感应原理进行无线充电,不过这在距离上仍然会受到一定的限制。除了利用电磁感应原理充电以外,美国的一个研究小组甚至还利用无线路由器和经过改良后的电子设备进行无线充电[1]。但是用过路由器的人都应该知道,路由器所发射的信号强度的范围也有限,因而不管是利用电磁感应原理还是路由器进行无线充电都受到了一定的距离限制。尽管如此,电气设备的无线充电相对于有线输电来说是更为安全的。

文章附图4

路由器发射的无线信号充电

  等离子无线输电

  一般而言,物体的物理形态分为固态、液态和气态,但是随着温度的升高,气体分子高速运动碰撞进而产生所谓的“电离”(原子或分子中带负电的电子和带正电的离子相互分离)。由于带有负电的电子和带有正电的离子所拥有的电荷量是一样的,整个离子气体呈中性,故称为“等离子气体”。据统计,在宇宙中有99%的物质都是等离子体[2];而在日常生活中,常见的等离子体存在于高温的火焰中、闪电、极光和火箭喷射出的火焰等。

文章附图5

自然界中的等离子体

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