1.什么是电磁波电磁波在日常生活中无时无刻不在,它们存在于电台广播、手机、电视,甚至你汽车的门锁遥控器。从物理学的角度看,电磁波是电磁场的一种运动形态。电可以生成磁,磁也能带来电,变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场,这就是电磁场,而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波,所以电磁波也常称为电波。1864年,英国科学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上,建立了完整的电磁波理论。他断定电磁波的存在,并推导出电与光具有同样的传播速度。1887年德国物理学家用赫兹用实验证实了电磁波的存在。之后,人们又进行了许多实验,不仅证明光是一种电磁波,而且发现了更多形式的电磁波,它们的本质完全相同,只是波长和频率有很大的差别。按照波长或频率的顺序把这些电磁波排列起来,就是电磁波谱。如果把每个波段的频率由低至高依次排列的话,它们是无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线及γ射线。

电磁波原理动画演示(脑洞大开电磁波发电)(1)

频率从几十Hz(甚至更低)到3000GHz左右(波长从几十Mm到0.1mm左右)频谱范围内的电磁波,称为无线电波。电波旅行不依靠电线,也不象声波那样,必须依靠空气媒介帮它传播,有些电波能够在地球表面传播,有些波能够在空间直线传播,也能够从大气层上空反射传播,有些波甚至能穿透大气层,飞向遥远的宇宙空间。发信天线或自然辐射源所辐射的无线电波,通过自然条件下的媒质到达收信天线的过程,就称为无线电波的传播。

2.电磁波是一种电磁能量的传播

电流随时间作周期性变化的现象叫电磁振荡。能产生电磁振荡的电路叫振荡电路。

电路是等振幅的电磁振荡。随着时间变化的电场和磁场相互激发,将电磁振荡向空间传播开去,便形成电磁波。振荡电路辐射电磁波需要具备三个条件:

1)电路必须开放,使电场能量和磁场能量尽可能向空间开放。

2)由平均辐射功率可知,振荡频率必须足够高,才能保证能量的有效发射。

3)必须不断提供能量,补偿电感L的耗能和辐射能,保证等振幅振荡的实现

可以由麦克斯韦电磁方程组的数学形式表现为:

电磁波原理动画演示(脑洞大开电磁波发电)(2)

这个方程组表明:不但电荷可以激发电场、电流可以激发磁场,而且变化的电场可以激发磁场,变化的磁场可以激发电场;在空间没有电荷、电流分布的区域,只要在空间某一区域出现一个电磁扰动,变化的电场和磁场可以相互激发而传播形成电磁波。这是人类历史上第一次预言电磁波的存在,20年后,在1887年由赫兹用实验加以证实。后来经科学证明:只要变化的电场与磁场交替在空间传播。当频率大于100kHz时,电磁波就开始离开导体通过空间传播,这种在空间传播的电磁能量即为电磁辐射。其次,振荡电流的频率越高,向外辐射电磁波能量的本领也越强.单位时间内辐射出去的能量,与电磁波频率的四次方成正比。所以:电磁波是一种电磁能量在空间中的传播。

电磁波原理动画演示(脑洞大开电磁波发电)(3)

3.电磁波作为便携电子产品电源的前提条件

既然电磁波的本质是一种电磁能量在空间中的传播。那么我们能否利用这种能量来发电呢?如果能用无处不在的电磁波驱动日新月异呈几何级数增长的微电子产品。那么这种技术将会带来怎样的产业变革和社会影响呢?带着这个看似科学幻想的问题我们一起来探索。

首先以电磁波作为便携电子产品电源至少需要考虑以下前提条件:

①从经济的角度讲,电磁波发射源辐射的电磁能量资源在使用上是免费的。无论这种辐射源来自电台广播、移动通讯基站、电视广播信号,甚至宇宙无线电波。

②如果是从室内移动办公,家庭娱乐移动应用要求来看,将微型发射源接入室内电源。这样,电磁波能量传输系统就应该象室内无线上网卡系统一样工作。所不同的是这里传输的不是数据信号,而是能量本身。即:无线输电。

③由于电磁辐射强度与发射源距离的平方成反比,所以如果要在室内利用无线电波转化为无线输电,那么电磁波发射源必须保证足够大的功率才能在有效的接收距离内实现能量转换,或者隔墙的情况下不至于由于能量衰减而使便携电子产品无法工作。但同时又要保证电磁波发射源的功率不能对人体造成伤害。必须在人体所能接受的功率范围内。关于电磁辐射在多少功率和频率会对人体产生影响,要参考权威的医学数据和中华人民共和国国家标准(UDC 614.898.5 GB 9175─88)环境电磁波卫生标准。

4.收天线的电磁感应面积必须设计得足够大,而封装体积和重量却要足够小。

①在发射源功率,接收天线接收距离一定,并且接收器处于某一频率调频谐情况下,天线面积越大,磁力线通过的量越多,天线感应的电压和电流就越高。因此要获得足够的电能,天线感应面积设计得越大越好。

②但是,便携电子消费品的体积一般都很小。并且有微型化发展的趋势。过于庞大的接收天线显然不适宜。所以,如何在有限空间内部封装感应天线的设计是非常关键的。

3) 电源转换装置要保证在移动应用中使便携电子产品在单位时间内工作电压恒定,工作电流波动不大。

由于是直接利用无线电波转换为电能,所以:在转换装置与发射源之间的相对位置发生改变时,将会直接影响到能量转换效率的改变。便携电子产品的工作电压和电流也会发生波动。所以转换装置在电路设计方面必须周密考虑输出电压的稳定性,防止大范围的电流波动造成电子产品的损坏。

4) 电源转换装置的电子零部件要具备成熟的技术产业

创新通常与技术研发联系在一起,但创新不仅仅局限于技术。如果转换装置要满足爆炸式增长的消费电子产业,那么组成转换装置的电子零部件要具备成熟的技术产业体系,以适应于这一产业高速的技术创新发展。这是电磁波发电机从技术研发快速进入消费领域的产业基础。

5. 以电磁波作为便携电子产品电源带来的变革影响

从能量转换角度来看,“电磁波发电机”不太可能成为大功率用电器的电源。但是对于功率要求相对小得多的消费类电子产品来说,它也许就是一种革命性的变革。在微电子产品发展日新月异的今天,其技术更新严格遵循着“摩尔定理”。如果有一天你的笔记本电脑不再需要充电器,你的手机在和发射基站保持信号对接的同时却能够从基站本身获取电源。或者你在欣赏手机电影时能够从广播电台的无线电波中充电。

电磁波原理动画演示(脑洞大开电磁波发电)(4)

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