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生活中,相信每个人都有过“被电线牵着鼻子走”的尴尬经历,比如说,想要给手机充电,却发现怎么也找不着拖着长尾巴的充电器,或者是有了充电器却发现插座坏了。其实,跟那些翻山越岭和穿街过巷的电线比起来,插座和充电器那个小尾巴所带来的麻烦简直可以忽略不计。作为电力普及所必需的电线带来的不完美,实在是太多了,即使是办公桌下面那些乱麻一般的电源线,有时候就够让我们难堪了。
1901年12月,意大利发明家马可尼成功地用莫尔斯电码传输无线电信号,首次跨越了大西洋,距离远达3200千米。至此,无线通信在地球上史无前例地热闹起来,并在随后的人类生活中扮演着极其重要的角色。那么,在无线通信已经高度发达的今天,为什么偏偏就不能实行无线输电呢?这其中最致命问题在于能量损耗。
我们知道,电磁波传播出去,弥漫在广阔的空间中,这意味着能量的分散。随着距离的增加,电磁波强度会急剧衰减。阳光就是一种电磁波,太阳每秒释放的能量足以把地球毁灭很多次,不过由于地球离太阳有1.5亿千米,只接收到太阳能量中微不足道的一部分,所以我们才拥有了现在这个适合栖居的美丽家园。相比之下,火星就没那么幸运了,仅仅因为离太阳比地球远一点,表面平均温度就低到零下几十摄氏度,想想都觉得冷。
这些事实意味着,用普通电磁辐射的方式来传输能量,是毫无效率可言的,绝大部分能量都会在路上被浪费掉。而无线通信对此不太在意,相反的,要保证信号能覆盖到尽量大的范围,电磁波的这种发散甚至是必不可少的。收音机、电视机或手机需要的是电磁波运载的信息,不是能量本身,只要信号不至于弱到无法还原,就不要紧。
用无线方式输送电力这种想法已经有近两百年历史,与电磁学几乎是一起诞生的。19世纪上半叶,电磁铁问世不久,电磁感应现象刚刚被发现,英国的一位牧师和自然哲学家尼古拉斯卡兰就设计了一个简单的无线输电装置:通过改变一个线圈的电流,使旁边另一个线圈的两端间产生火花。电学先驱、交流电之父特斯拉曾试图利用地球本身和大气电离层为导体来实现无线输电,但由于资金耗尽,他雄心勃勃的计划打了水漂。
对无线输电来说,能量传递的效率是最重要的。因此,方向性强、能量集中的激光与具有类似性质的微波束进入了科学家的“法眼”。这种设想在二三十年前就出现了,它们在许多科幻作品中成为未来世界的标准配置。美国宇航局和能源部在20世纪70年代就考虑建设一个功率1000万千瓦的宇宙太阳能发电站,通过微波向地球输电。日本在微波输电方面取得了不少成绩,打算在此基础上试建宇宙电站,却也只能是打算罢了。为了保证传输效率,发射端和接收端中间不能有障碍物,这是微波和激光输电付诸实用的巨大障碍。
虽然科学家们从未停下探索的脚步,然而在电灯、电话、广播、电视和互联网给世界带来了一次又一次翻天覆地的变化的今天,唯无线输电技术似乎总在原地打转。直到2007年6月,美国麻省理工学院的物理学家马林索尔加斯克领导的一个研究小组宣布,他们成功地利用无线输电技术,点亮了一个离电源约2米远的60瓦电灯泡。这个有点“伪气功”色彩的试验的成功让人看到了无线输电的曙光。其原理非常简单——电磁共振。
他们使用了2个直径大约60厘米的线圈。一个线圈接在电源上送电,另一个线圈则在约2米之外的地方接上一个灯泡。当第一个线圈内的电流以10兆赫的频率振动时,根据电磁共振原理,它就会定向发出电磁场。而2米之外的另外一个线圈,对10兆赫的电磁场振荡非常敏感,立即产生强烈的共振效应,并同时将第一个线圈辐射出来的电磁能量一并拿下,成功将灯泡点燃。
电磁共振,最早为英国物理学家麦克斯韦19世纪预言,并在1888年被德国赫兹的实验所证实。因为物体在特定频率下会比较容易振动,其他频率下则不然,这些特定频率就被称为固有频率或共振频率,而有着相同共振频率的物体,彼此交换能量的效率比较高。所以利用电磁共振进行无线输电,实际上就是从减少能量消耗上去考虑的。这也是麻省理工的实验引人注目的原因所在,他们在输电效率方面实现了突破。
与理想目标相比,2米实在是微不足道,但不管怎么样,梦想总算挪了挪步子了。也许在可预见的未来,笔记本电脑或手机自动进行无线充电会成为现实。如果胆子够大,还不妨把理想的触角舒展到月亮上去。初步估计,月球上有100万到500万吨氦3,如果用它们实现聚变发电,能供全世界用上几万年。这天真的到来了的话,我们与其辛辛苦苦把氦3运回来发电,还不如直接在月球上发电然后无线传输回来呢。
编辑/梁宇清
1901年12月,意大利发明家马可尼成功地用莫尔斯电码传输无线电信号,首次跨越了大西洋,距离远达3200千米。至此,无线通信在地球上史无前例地热闹起来,并在随后的人类生活中扮演着极其重要的角色。那么,在无线通信已经高度发达的今天,为什么偏偏就不能实行无线输电呢?这其中最致命问题在于能量损耗。
我们知道,电磁波传播出去,弥漫在广阔的空间中,这意味着能量的分散。随着距离的增加,电磁波强度会急剧衰减。阳光就是一种电磁波,太阳每秒释放的能量足以把地球毁灭很多次,不过由于地球离太阳有1.5亿千米,只接收到太阳能量中微不足道的一部分,所以我们才拥有了现在这个适合栖居的美丽家园。相比之下,火星就没那么幸运了,仅仅因为离太阳比地球远一点,表面平均温度就低到零下几十摄氏度,想想都觉得冷。
这些事实意味着,用普通电磁辐射的方式来传输能量,是毫无效率可言的,绝大部分能量都会在路上被浪费掉。而无线通信对此不太在意,相反的,要保证信号能覆盖到尽量大的范围,电磁波的这种发散甚至是必不可少的。收音机、电视机或手机需要的是电磁波运载的信息,不是能量本身,只要信号不至于弱到无法还原,就不要紧。
用无线方式输送电力这种想法已经有近两百年历史,与电磁学几乎是一起诞生的。19世纪上半叶,电磁铁问世不久,电磁感应现象刚刚被发现,英国的一位牧师和自然哲学家尼古拉斯卡兰就设计了一个简单的无线输电装置:通过改变一个线圈的电流,使旁边另一个线圈的两端间产生火花。电学先驱、交流电之父特斯拉曾试图利用地球本身和大气电离层为导体来实现无线输电,但由于资金耗尽,他雄心勃勃的计划打了水漂。
对无线输电来说,能量传递的效率是最重要的。因此,方向性强、能量集中的激光与具有类似性质的微波束进入了科学家的“法眼”。这种设想在二三十年前就出现了,它们在许多科幻作品中成为未来世界的标准配置。美国宇航局和能源部在20世纪70年代就考虑建设一个功率1000万千瓦的宇宙太阳能发电站,通过微波向地球输电。日本在微波输电方面取得了不少成绩,打算在此基础上试建宇宙电站,却也只能是打算罢了。为了保证传输效率,发射端和接收端中间不能有障碍物,这是微波和激光输电付诸实用的巨大障碍。
虽然科学家们从未停下探索的脚步,然而在电灯、电话、广播、电视和互联网给世界带来了一次又一次翻天覆地的变化的今天,唯无线输电技术似乎总在原地打转。直到2007年6月,美国麻省理工学院的物理学家马林索尔加斯克领导的一个研究小组宣布,他们成功地利用无线输电技术,点亮了一个离电源约2米远的60瓦电灯泡。这个有点“伪气功”色彩的试验的成功让人看到了无线输电的曙光。其原理非常简单——电磁共振。
他们使用了2个直径大约60厘米的线圈。一个线圈接在电源上送电,另一个线圈则在约2米之外的地方接上一个灯泡。当第一个线圈内的电流以10兆赫的频率振动时,根据电磁共振原理,它就会定向发出电磁场。而2米之外的另外一个线圈,对10兆赫的电磁场振荡非常敏感,立即产生强烈的共振效应,并同时将第一个线圈辐射出来的电磁能量一并拿下,成功将灯泡点燃。
电磁共振,最早为英国物理学家麦克斯韦19世纪预言,并在1888年被德国赫兹的实验所证实。因为物体在特定频率下会比较容易振动,其他频率下则不然,这些特定频率就被称为固有频率或共振频率,而有着相同共振频率的物体,彼此交换能量的效率比较高。所以利用电磁共振进行无线输电,实际上就是从减少能量消耗上去考虑的。这也是麻省理工的实验引人注目的原因所在,他们在输电效率方面实现了突破。
与理想目标相比,2米实在是微不足道,但不管怎么样,梦想总算挪了挪步子了。也许在可预见的未来,笔记本电脑或手机自动进行无线充电会成为现实。如果胆子够大,还不妨把理想的触角舒展到月亮上去。初步估计,月球上有100万到500万吨氦3,如果用它们实现聚变发电,能供全世界用上几万年。这天真的到来了的话,我们与其辛辛苦苦把氦3运回来发电,还不如直接在月球上发电然后无线传输回来呢。
编辑/梁宇清