無線充電大解構
By Daria Zaitseva
無線技術是新潮流，科技進步使我們能擺脫電線的纏繞，讓我們享受到以無線充電座或支架為手機充電的便利體驗。你有想過無線充電器如何運作嗎？答案也許比你想像的簡單得多！
無線充電又稱為感應充電，運作原理基於電磁學和電磁感應範疇中一些物理學原理。我們第一個要了解的是安培定律，它表明導體中的電流會產生與其強度成正比的磁場。如果我們為一個螺線管（螺旋線圈）接上電源，螺線管就會變成一塊電磁鐵，兩端會根據電流方向一端成為南極，另一端成為北極。
這就是安裝在充電座裡的發射線圈。當發射線圈插上電源後，電流會通過線圈使其成為電磁鐵。如果接上交流電，電子的流動方向會不停改變，使電磁鐵的兩極不斷互換，從而產生不斷變化的磁場。
接下來是第二個原理：法拉第電磁感應定律。這個由米高．法拉第（Michael Faraday）於1831年發現的定律指出變化中的磁場可以感生出稱為電動勢的電壓，它可以驅使電流在導體內流動。
如果我們利用這個原理，將一個接收線圈安裝到我們想要充電的設備中，這個線圈就會接收到不斷變化的磁場，並產生電動勢，最終感生出電流通過設備。現在我們不就是能無線傳輸電流了嗎？由於智能手機和手錶只能用直流電充電，因此有種稱為整流器的電子零件可以透過限制電流方向，將感生而來的交流電轉換成直流電。
許多人可能不知道，無線充電並不僅被用於手機充電，研究人員亦一直尋求為醫療儀器無線供電的方案。理論上，磁場可以穿透皮膚並感生電流為已植入體內的儀器充電 [1]。這個原理未來可能會帶來革命性的改變，讓使用心臟起搏器的患者不再需要接受重複手術以更換電池 [2]，亦能使植入左心室輔助裝置（供末期心臟衰竭患者用的機械泵）的患者不再需要透過皮下導線供電，從而避免相關感染風險 [3]。然而，在應用無線充電技術的醫療儀器商品化之前，設計人員仍需克服一些技術挑戰，例如線圈之間的錯位問題和高功率傳輸造成的燒傷等 [2, 4]。
無線充電系統亦可能是電動車的未來方向。平治（Mercedez-Benz）早在2017年就已經為旗下一款汽車型號提供無線充電選項 [5]；最近電動車公司的領頭羊特斯拉（Tesla）也表示對開發自家無線充電技術感興趣 [6]。可是，建設基礎設施對推廣無線充電至關重要，例如設立更多設置充電板的充電站等，這某程度上解釋了汽車製造商普遍不願意將無線技術納入其產品的原因 [6]。這是個「先有雞還是先有蛋」的問題：驅使汽車公司投放資源於發展無線技術的誘因是電動車的需求，但目前這一需求又受制於公共充電設施的普及性。
儘管技術離發展成熟還有一段距離，但工程師們已經在城市規劃方面構想出一些具前瞻性的新穎想法。底特律就建造了美國第一條無線充電道路進行試點測試 [7]，在道路下方安裝了電磁線圈。當車輛駛過這條400米長的道路時，車輛電池就能夠進行感應充電。這方案有望在未來被用於延長電動車的續航力。
這只是無線充電在未來可行應用的數例。為了讓技術變得更智能和實用，開發者肩負起讓我們生活變得不受拘束的責任。從家居應用到高科技產業，越來越多設備走上無線化的道路，接下來的設備又會是哪個呢？
參考資料
[1] Mussivand, T., Miller, J. A., Santerre, P. J., Belanger, G., Rajagopalan, K. C., Hendry, P. J., Masters, R. G., Holmes, K. S., Robichaud, R., Keaney, M., Walley, V. M. & Keon, W. J. (1993). Transcutaneous Energy Transfer System Performance Evaluation. Artificial Organs, 17(11), 940–947. https://doi.org/10.1111/j.1525-1594.1993.tb00407.x
[2] Salloum, W., Ghosson, Y., & Fardoun, A. (2022). Wireless Pacemaker Battery Charger. 2022 IEEE 4th Eurasia Conference on Biomedical Engineering, Healthcare and Sustainability (ECBIOS). https://doi.org/10.1109/ECBIOS54627.2022.9944998
[3] Pya, Y. (2020). Transcutaneous Energy Transmission: Can we do it now? The VAD Journal, 6(2), e2020624. https://doi.org/10.11589/vad/e2020624
[4] Horie, H., Isoyama, T., & Ishiyama, K. (2023). Design of an Innovative Wireless Left Ventricular Assist Device Driven by either Extracorporeal Magnets or an Intracorporeal Battery Pack. ASAIO Journal, 69(2), e73-e79. https://doi.org/10.1097/MAT.0000000000001874
[5] Mercedes-Benz of Silver Spring. (n.d.). Mercedes-Benz, Qualcomm Unveil Wireless Charging for Plug-in Hybrid S-Class. https://news.mercedesbenzsilverspring.net/article/mercedes-benz-qualcomm-unveil-wireless-charging-for-hybrid-s-class
[6] Alake, T. (2024, February 20). Wireless Charging for Electric Cars Is Inching Closer to Reality. Bloomberg. https://www.bloomberg.com/news/articles/2024-02-20/wireless-charging-for-electric-cars-is-inching-closer-to-reality
[7] Paris, M. (2022, January 31). Wireless charging: The roads where electric vehicles never need to plug in. BBC. https://www.bbc.com/future/article/20240130-wireless-charging-the-roads-where-electric-vehicles-never-need-to-plug-in