DQZHAN讯：无线输电到底靠不靠谱？
无线充电技术在电动牙刷、剃须刀、手机上已经有了一些应用，电动汽车无线充电也有了初步的试验。如果无线充电可以实现，那么我们是不是可以省去高压输电线路实现无线输电，甚至还可以接收太空太阳能电池发来的电能，彻底解决人类输电和用能问题呢?今天小编尝试说说无线输电靠不靠谱。

无线输能在破解无线输电的问题前，让我们先把无线输电的范围拓展一下吧——“无线输能”。能量的概念包含更广，太阳光就是*常见的“无线输能”，那可是跨越1.5亿公里、长达45亿年的无线输能。首先来看看有什么能量形式，再看他们能不能“无线”传输。世界上的能量形式我们早已熟知，高中物理就学了四种：力、热、光、电。再加核能和化学能，大概就这六种能源形式(其中的力是指机械能，电是指电磁能)。核能和化学能所来源的原子力和化学键力是不可能远距离传输的，所以我们只考虑机械能、热能、光能和电磁能四种能量传输。先说有线传输对应的四种常用方式：机械能的传输对应刚性杆传输，钢杆是机械能的载体，例子如汽车的传动轴;光能传输对应光纤，光纤是光的载体;热能对应热的良导体，比如各种金属;电磁能对应导线或铁芯，都是电或磁的良导体。有线传输的特点就是，这个通道的阻力很低：钢杆对机械能无损失，光纤对光能损失小，良导体的热阻小，导线的电阻小，铁芯的磁阻小。这样我们才能在远端收获到损失较小的能量。

哪些能量可以无线传输无线传输就没有这些“低阻通道”了，只有空气，或者什么都没有的真空。四种能量在空气或者真空中传播的效果如何呢?首先是机械能和热能，二者必须有介质才能传播，真空无法传播，而空气中两种能量都会向四周弥散，导致传播效果不佳。光能传播不需要介质，人类可以利用激光进行大功率的光能传输，激光甚至可以做成激光炮。但激光对地形和天气要求高，光只能走直线，并且不能被空气中的颗粒漫反射，否则损耗太大。即便可以传输，在发射和接受两端，由电变光和由光变电的效率都较低，成本却很高。也许未来只有太空能量通过激光传输到地面有一定可行性。剩下只有电能了，我们平时接触到的电能只有50或60赫兹，是非常低的频率，电磁波的波长达五六千公里，这么长的波长对一般输电距离而言是没有电磁波特性的(地球的赤道约四万公里)，因而电磁感应是电能传输的主要方式。我们现在应用的无线充电技术，以及实验室内的无线输电技术，都是利用电磁感应原理。附录一解释了电磁感应和电磁波二者区别。
无线输能的要义既然空气或真空对能量传输是一条“高阻通道”，想要能量顺利传输过去，不因“高阻”而四散弥漫，只有一个方法——谐振!激光是一种谐振的光源，收音机靠谐振接收信号，同样电能传输也需要谐振的帮助。谐振的详情请见问下的附录二，详细阐述了谐振的概念，以及各种能源的谐振实例。

电能的无线传输我们需要建立谐振频率是50Hz的一条回路，这样就能把电能传输过去了。话虽如此，但实现起来并不好办。现实的环境太复杂了，电场和磁场会在空中遇到各种各样的障碍物，遇到建筑的铁或者钢，电磁场就会被吸收，专业术语叫“屏蔽”(类似于把手机放在一个封闭铁盒里就没信号一样，所有信号都被铁盒吸收了)。我们设计回路参数时，想充分考虑沿路所有钢铁所构成的电容电感，实在太困难了。(电容和电感是电学中*常见但也是*难理解的概念，有机会小编会写一期介绍电容和电感的物理本质是什么)目前也有无线输电的应用案例，比如无线充电的牙刷、手机、汽车，这些案例中的一个共性就是距离短。牙刷和手机都安放在充电座上，无线充电汽车的底盘与地面贴的也非常近(30cm以内)。距离近的目的只有一个，减少周围环境的杂散电容电感的影响，以便我们设计的回路能够*大限度的传输能量。当然，从另一个角度说，这也是为了提高能量的传输效率。距离越长，杂散的电容电感越多，他们吸收的能量也就越多，能传到目的地的能量就越少，能量传输效率也就很低了。所以从杂散参数影响的角度来说，完成长距离的无线输电是件几乎不可能的事，因为杂散参数和各种屏蔽的影响几乎无法去除。

电磁波的方式无线输电是否可行?既然电磁感应的方式并不乐观，那电磁波的方式是否可以?有人也提出了微波无线输电。电磁感应与电磁波的区别只在于频率，或者说波长与传输距离的比例。波长比传输距离长，则是电磁感应原理，否则就是电磁波的传输原理。电磁波的传播方式同广播信号是一样的，是四散弥漫的，只要是弥漫，就缺乏效率。广播电视信号是可以弥漫空间的，但因为传输的只是信号，能量很低，效率低就低了;但如果大功率的电能弥漫空间，不仅仅要求有很大的功率发射和接收装置，而且空间中弥漫着大功率的电磁波，人们会觉得像是生活在微波炉中。目前，输电线路周围的电磁环境问题已经引起了人们的质疑，不知道如果有看不见的大功率电磁波包围着你，你会作何感想。
综上所述，小编对未来长距离输电抱以谨慎的悲观态度。

附录一：电磁波与电磁感应电磁波与电磁感应的区分只在于波长与传播距离的关系。如果波长远远短于传播距离，则发射端周围先有变化的磁场(或电场)，接着向外延伸感应出变化的电场(或磁场)，再向外延伸……从接收端看，就是交变的电磁场向这边蔓延过来，体现“波”的性质。如果接收端距离发射端很近，远小于波长，则发射端电场和磁场的一点点变化都会迅速传导到接收端，也引起同样的变化。从接收端看就没有波的性质，只有感应。附录二：谐振与电磁感应变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，即电磁感应。在说电磁感应谐振前，我们先举一个例子，在推小孩荡秋千的时候，如何能使秋千越荡越高呢?肯定是随着秋千摆到*高点后，正在下落的时候推上一把，而且每次都要同一个时间才行。这个时间间隔是有公式直接能算出来的，即单摆公式：时间=2π乘以根号下(摆绳长度L除以重力加速度g)，由伽利略发现。T=2π×√(L/g)T只与摆绳长度有关，是个常数。也就是说，不管什么人坐秋千以及秋千摆多高，一个来回的时间都是固定的。这个原理也是钟摆的原理，不管钟摆长什么样、摆多高，摆一个来回就是1秒钟。

推的人必须按照这个时间间隔出手才能让秋千越荡越高。频率与时间互为倒数，换句话说，人只有以这个频率发力，他的力道才能*完全的传递到秋千上。这个频率就可以叫秋千的固有频率。固有频率也叫共振频率或谐振频率，振动是一种往复运动;共振就是一起振动，谐振就是一块“和谐”的振动，都是其他东西和这个物体的固有频率一致了，两个一起振动。所以三个词通用，只是根据习惯和历史用在不同领域。

在力学里这个频率应用广泛，我们听过士兵齐步走时，大桥垮塌的例子，这就是士兵走步的频率与大桥的共振频率一致，踏步的力量*大限度的传给了大桥，大桥接受的力量(能量)越来越大(跟秋千越摆越高一个道理)，*后垮塌了。美国也有微风吹大桥*后垮塌的例子，也是微风的频率等于桥的共振频率。建筑师们设计楼房的时候也要考虑如何不让房屋的共振频率等于地震波的频率。光学里的谐振频率也是固有频率。例如光学谐振腔就是激光发射器的必要组成部分，光在这个腔中发生谐振，汇聚的能量越来越大，*后成了高能量的激光。不管是力学还是光学，固有频率都有一个特征：在这个频率下做功，整个过程的损耗*小，传递的能量*多。在电学里同样也叫谐振频率。在这个频率下，整个回路中的电阻*小，传输的能量*大。谐振频率是由传输回路的电感和电容决定的：f=1/(2×π×√LC)，或者T=2π×√LC是不是跟上面的单摆公式很像，都是2π乘以一个根号下的什么东西。频率f是谐振周期T的倒数。L是电感，C是电容。我们小时候制作收音机，里面都有两个半圆的金属片，扭动旋钮，两个金属片相对的位置会改变，面积改变会改变电容值C，进而谐振频率会改变。我们平时广播中听到的调频98.5兆赫或者中波792千赫，就是指的谐振频率的大小。空气中本来就弥漫着各种电波，当我们调收音机到某一谐振频率时，这个频率的能量传输路径上的损耗*小，传输的能量*大，所以我们就收听到这个电台了。稍微再旋转下按钮，这个太会慢慢变得不清晰，就是因为收音机的谐振频率变了，传输路径阻力大了，传过来的能量没那么大了。(这里有个通用的概念，叫品质因数，描述在谐振频率下传输能量与非谐振频率下传输能量的比值的。概念来源于广播，我们在某个电波频率下听节目很清楚，稍微动一下旋钮就不清楚了，说明这个频率下能量传输的效果非常好，听得清楚，“品质”就高。)利用电磁感应原理传输电能也是如此，我们需要建立一条可以在50Hz发生谐振的电路，以便让电能*大限度的被接收。

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