為什麼放著就能充電?用線圈與磁場揭開無線充電的祕密
我是科學訓練師桑子研,每天都是實驗日!
手機快沒電了!偏偏找不到 Lightning 充電線……就在這個關鍵時刻,如果旁邊剛好有一座無線充電器,是不是會忍不住大喊「得救了!」

不過仔細想想,其實很神奇。明明沒有用線連接,只是把手機放上去,電是怎麼跑進去的呢?

看起來像魔法,但其實背後是約 200 年前發現的物理定律,完全可以用科學來解釋。
一起來看看無線充電器的內部吧
把無線充電器拆開來,裡面藏著一個線圈。

其實手機這一側也有一個同樣的線圈。這是拆開手機之後的樣子。

送電的一端和收電的一端,兩個線圈面對面,無線充電才得以成立。我和實習老師 I 老師一起設計了一堂課,帶大家揭開無線充電的秘密。課堂上有很多讓學生自己動腦思考的環節,我覺得是一堂非常有趣的課。
實驗用到的器材
準備的器材如下。
三用電表、帕斯卡電線(我們就叫它「粗線圈」)、把漆包線綁成一束做成的線圈(我們就叫它「細線圈」),還有電源供應器。

帕斯卡電線是買這一款。


富士電線工業 VCTF 0.3sq×6芯富士電線工業 VCTF 0.3sq×6芯
這次我用的是 6 芯的款式。把它剪成每段 1 公尺,再把兩端的導線接法一條一條錯開,就能做出繞 6 圈的線圈。也就是說,等於把 6 公尺長的導線做成了線圈。

就算通上 3A 的電流也不會發燙,很安全。
想進一步了解帕斯卡電線的話,請看這裡。
做出「送電端」和「收電端」
粗線圈接上電源供應器的直流電,並告訴學生最多可以通到 3A。這就是充電器(送電端)的模型。

另一邊,細線圈接上三用電表,當作手機(收電端)。電表切到直流電流檔,調到能測出微安培(μA)這種超微小電流的範圍。

電流只有「放上去的那一瞬間」才會流嗎?
把細線圈放到粗線圈上面,電流並不會持續流動,只有在放上去的那一瞬間,電表的指針才會動一下,表示有電流通過。我把這個做成示範實驗給學生看。

可是,放上去之後就沒電流,那可不能叫無線充電啊。所以我丟出一個問題:「要怎麼做,才能讓對面的線圈持續有電流?」請學生先提出假設,再實際動手試試看。
學生們的創意挑戰
學生們嘗試了各式各樣的方法。例如,在通有 3A 電流的粗線圈上放著細線圈,上下移動的小組;也有改成水平移動的小組。

此外,還有人旋轉線圈、有人改變移動的速度,每一組都確認到「只要一直在動,電流就會持續流動」。這是因為線圈在動的時候,穿過線圈的磁場一直在變化。
接著,我們在全班面前分享了各組的結果。

大家提出的點子如下:
・把細線圈靠近、再拉遠。
・一直轉動旋鈕(讓電源在 ON 和 OFF 之間切換)
・讓粗線圈在細線圈裡面旋轉。
不過,直接切換 ON 和 OFF 可能會弄壞電源供應器,所以我指定他們用轉動旋鈕的方式來開啟和關閉。
話說回來,真正的無線充電總不可能一直用手拿著手機晃來晃去吧。那麼,如果線圈不動,要怎麼讓磁場持續變化呢?

這就是接下來的新問題。
換成交流電源的話……?
在班上分享想法之後,有人提出「改用交流電」的點子。那就來試試看吧!交流電是電流方向每秒鐘會來回切換好幾十次的電。方向一變,磁場也跟著變,所以就算線圈不動,磁場也能不停地變化。

電壓是 2V。把線圈靠近之後,可以看到電流真的持續在流動。再把電表切換到可以測量交流電流的檔位,會發現流過的電流相當大。

稍微拉開一點距離,電流還是會流。

甚至中間伸一隻手進去,電流照樣流動!磁場可以直接穿過我們的身體,傳到另一頭。

教室裡傳來學生們驚呼「太厲害了吧!」的聲音。
用「磁場」來解釋看看吧
最後,我再次請學生思考無線供電的原理,並特別強調:「要用『磁場』這個詞來說明喔!」學生們一邊苦思,一邊整理自己的想法。
順帶一提,這種電磁感應的原理,不只用在無線充電,電動牙刷的充電、電磁爐、悠遊卡這類交通票卡等等,在我們生活周遭的許多地方都在默默發揮作用。
這是另一個小實驗,我試著用互感現象讓 LED 燈亮起來。
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