[DSE 物理] 智能手機背後的物理學:電池壽命跟充電有什麼關係?無線充電背後的電磁感應是什麼?

智能手機已成為我們日常生活中不可或缺的一部分,但原來智能手機的電池壽命和充電方式能以我們高中學到的物理知識去解釋!在本篇博客中,我們將探討智能手機背後的物理學知識,並揭示電池壽命與充電之間的關係,同時介紹無線充電背後的電磁感應。

電池壽命與充電

智能手機的電池壽命對於使用者來說是至關重要的。我們首先來了解充電對電池壽命的影響。不同的充電方式和習慣,如充電頻率、充電時間和充電方式,都會對電池壽命產生影響。一起討論這些因素的重要性,令你更好地管理智能手機的電池壽命吧!

手機充電的3大迷思

1. 充電頻率:睡覺的時候充電對手機電池壽命有害嗎?

現代的手機配備了內建晶片,當電池充滿後,晶片會自動切斷電源供應,後續的電能不會繼續輸入電池,因此不需要過度擔心。但如果您仍然擔心,建議將電池保持在30%至80%之間的範圍內進行循環充電,並在電池充到約90%時拔掉充電器。同時,建議每週重新啟動手機,這樣可以使手機進行重置、修復,並延長手機電池壽命。

2. 充電時使用手機,會縮短手機電池壽命嗎?

實際上,真正影響電池壽命的主要因素是「溫度」。當您使用手機時,無論是追劇還是打電話,電池都處於放電狀態;而當手機充電時,會產生電流流動,不論是充電還是放電,電流都會使電池產生熱量,因此當您一邊充電一邊使用手機時,溫度越高,手機電池壽命就會縮短。因此,不建議大家這樣使用手機,應該避免讓電池溫度過高,以減少對手機電池壽命的影響。

3. 充電方式

A. 有線充電

顧名思義,有線充電是一種使用電纜或線纜連接電源來為電子設備充電的方式。這種充電方式通常涉及將一端插入電源插座,另一端插入設備的充電端口或插孔。常見的例子有如手機、平板電腦、筆記型電腦、相機、游戲控制器等的充電線都是屬於有線充電線。

有線充電的主要優點之一是充電速度通常比無線充電快,因為它可以提供更高的功率輸出。有線充電還具有其他一些優點,例如充電過程中較少的能量損失,充電插頭和插孔的穩定連接,以及相對較低的充電成本。

但是,有線充電的主要限制是需要使用電纜或線纜來連接設備和電源,因此使用起來可能不太方便,而且存在纏繞和損壞電纜的風險。

B. 無線充電

無線充電是一種不需要使用電纜或線纜連接的充電方式,通過無線傳輸能量將電力傳送到電子設備以供其充電。這種充電方式利用了電磁場或無線電波等技術,將能量從充電器或發射器傳輸到設備的接收器或充電裝置,從而實現充電的目的。

無線充電技術的優點之一是提供了更便利的充電體驗,無需插拔充電線,只需將設備放置在充電器或充電座上即可實現充電。當然,無線充電也存在一些限制。相比有線充電,無線充電的效率和充電速度一般而言通常較低。

  • 然而,近期有學術研究顯示,使用DE類共振逆流器(DE Class Resonant Inverter),即是一種將直流(DC)電源轉換為交流(AC)電源的裝置,去驅動LC 共振電路, 可以提升功率傳輸。

例如,台灣國立雲林科技大學在一篇有關於無線電之研究的論文中,提及 DE 類共振逆流器可以提高無線電充電速度。由此可見,無線充電技術在無需插拔電纜的便利性方面具有潛力,並且正在不斷發展和改進,以提供更高效、更方便的充電體驗。

C. 行動電源/尿袋

行動電源(Power Bank),又或者俗稱「尿袋」是一種便攜式的電池裝置,通常用於為行動電子設備提供充電。它是一個可充電的電池組件,內部儲存著能量,並且具有一個或多個充電輸出接口,可以通過連接電纜將能量傳輸到設備,來達到充電效果。

優點是只需將充電線連接到需要充電的設備,然後通過按下啟動按鈕或插頭,行動電源會開始向設備供應電力,外出時也可使用,十分方便。

  • 但是,行動電源亦是其中一個最常有安全性問題的充電方法。由於大部份行動電源屬於鋰離子電池的重量,其缺點則是不耐過度充電。任職於沛亨半導體的林孟宏在科技雜誌新通訊中指出,如果過度充電或短路,會造成電池溫度升高,而破壞電池結構,最後可能使得電池爆炸。

在幾年前的一些新聞中,時常看到手機放在手提袋中,結果起火的例子,便極有可能是鋰離子電池短路造成的結果,因此對行動電源進行保護動作是非常重要的。而除了傳統的液態鋰離子電池(Li-ion)之外,亦可以考慮使用由鋰聚合物電池(Li-polymer) 製成的行動電源,其特性則較鋰離子電池穩定。

無線充電和感應背後的電磁原理

無線充電技術正在越來越多的智能手機上得到應用。但你是否好奇這背後的原理是什麼呢?這就涉及到電磁感應的概念。我們將深入探討電磁感應的基本原理,包括法拉第電磁感應定律和極性的重要性。此外,我們還將解釋無線充電器是如何利用電磁感應將能量傳輸到智能手機的電池中的。

原理一:法拉第電磁感應定律

法拉第電池感應定是由英國著名物理學家麥可·法拉第(Michael Faraday)在1831年英國工業革命時發現此定律, 因此命名為法拉第定律。此定律能夠預測磁場如何與電路相互作用以產生電動勢, 簡單來說即是電磁感應。

本定律可用以下的公式表達:

圖片來源:https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d44830435803901bcf8cc5dac6aa1388075e40d7

其中:

  • ℇ是電動勢,單位為伏特 (volt)。

  • ΦB是通過電路的磁通量,單位為韋伯 (Wb)。

基本上,電池感應就是將鐵環纏繞兩組線圈,其中一組連接起來並擺在磁針旁邊,另一組線圈則通有穩定電流,藉由電流磁效應(又稱磁生電)使此線圈產生磁場。無線充電功能,借用的就是法拉第定律。原理其實很簡單,充電座內含金屬線圈,當電流經過並且震盪之時,就會在附近空間產生震盪的磁場。放在附近的電話亦都內含金屬線圈,震盪的磁場會在線圈產生電流,為電話充電。簡單而言,就是將電轉換成磁場,再隔空為電話充電。

註解:法拉第利用鐵環繞兩組線圈,一組擺放在磁針旁,另一組則通過穩定電流,藉由電流磁效應使該線圈產生磁場。法拉第發現,當接通電流及切斷電流的瞬間,磁針會來回擺動,進而發現電磁感應。 圖片出處:科學月刊第620期,薇閣中學物理科教師,王冠智,2021-08-02 發佈。

同樣, 八達通等電子票券是將無線射頻辨識(radio frequency identification, RFID)標籤埋於感應卡片裡,當卡片靠近進出站的機器時,機器發出隨時間變化的磁場,此時八達通如同線圈發生電磁感應現象。

原理二:馬克斯威爾方程式 - 電流磁效應

電生磁 磁生電

無線電背後第二個原理,就是由丹麥物理學家厄斯特(Hans Christian Orsted) 在1820年發現的,通有直流電流之導線附近的小磁針會偏轉,若將直流電的電流反向,則小磁針會偏向反方向,代表通有電流的導線周圍會產生磁場(如圖一、圖二),此種現象稱為「電流磁效應」(又稱電生磁)。

圖一:長直導線周圍產生同心圓的磁場

圖二:線圈周圍產生的磁場

國立彰化師範大學一份物理學院論文研究解釋,無線充電主要是利用上述的電流磁效應與電磁感應,發射線圈電流改變產生磁通量變化, 但如果只利用法拉第的兩組線圈設計,當線圈接通電流或切斷電流的瞬間,接收線圈才會瞬間產生感應電流,這是無法充電的。因此必須是發射線圈的磁場持續不斷的變化,接收線圈就會感應出交流電,經過整流成直流電後就可以幫手機充電。

無線充電裝置的操作原理如下:

  1. 一開始電源未導通時,電晶體未有電流流過,但是通道之間的電阻較大,通道之間的電阻小。

  2. 電源接通時,電流選擇較小電阻的路徑,小電流只流經發射線圈A,還未出現。

  3. 當流經 B 極時,集極(C)和 射極(E)之間的通道會打開,可讓大電流由 C 極流向 E 極,但是因為𝐶 是大電流,幾乎搶走所有電流,所以𝐵 消失。

  4. 當𝐵 消失時,𝐶 的路徑也跟著斷掉,𝐶 消失。電路又回到 2 的情況,𝐵又出現了。

  5. 步驟 2 到步驟 4 的過程,不斷重複且所須時間甚短,使得線圈在短時間之內不斷改變電流方向,發射線圈形成很大的磁通量變化率。

圖片出處:https://esep.colife.org.tw/journal_pdf/d4bdc69c2bd748949eed95fa631997b6.pdf?AspxAutoDetectCookieSupport=1

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原理三: 電流 vs 電子流

最後,一個非常基本,但同學經常混淆的物理概念就是電流和電子流的不同,特別是沒有修讀化學的同學。 美國俄勒岡州立大學一份研究論文發現,80% 同學不知道電流和電子流的不同,因此要了解無線充電的原理, 必須要首先清楚電流和電子流的分別。

電流的方向被定義為與正電荷在電路中移動的方向相同,但實際上並不是正電荷移動,而是負電荷移動;電子流是自由電子(負電荷)在電路中的移動,其方向為電流的反向。但因為此概念在科學界引用已久且成為習慣,故至今仍然沿用。 如果同學真的不懂如何分辨,最簡單的方法就是記下他們的極性流動:

  • 【電子流】: 由電池的負極 (-) 走向正極 (+) ,更加容易記得的方法就是電子是帶負極的,「電子」流當然由負極開始,電流則相反

  • 【電流】: 由電池的正極(+) 流向負極 (-)

這是因為對電子而言,電子在電池的負極具有高電位能,在電路中將電位能釋放後回到電池的正極,故電子在電池的正極其電位能較低,因此電子流和電流是相反方向。

電流強度的物理公式為:

𝐼=𝒬/𝑡

其中,𝐼為電流(單位是安培),𝒬為電量(單位是庫侖),𝑡為時間(單位是秒)。

無線充電的優缺點

無線充電技術帶來了便利性和減少充電插拔次數的好處,但同時也存在著一些限制和缺點。我們將討論這些優點和限制,例如無線充電的效率和充電速度相對較低。此外,我們還將提供一些建議,幫助你選擇和使用無線充電技術時做出明智的選擇。

無線充電的優點:

  1. 方便性:無線充電消除了使用充電線的需求,使得充電過程更加方便。使用者只需將兼容無線充電技術的設備放在充電基座或充電墊上,即可開始充電,無需與插頭或充電插孔連接。這使得無線充電特別適合在辦公室、餐廳、咖啡廳等公共場所使用,可以隨時隨地輕鬆充電。

  2. 保護接口:使用傳統充電方式時,插頭和充電插孔可能會因插拔次數頻繁而受損。然而,無線充電不需要使用插頭或充電插孔,因此能夠保護設備的接口免受損壞。這種方式對於那些需要經常充電的設備,如智能手機或平板電腦,尤其有益。

  3. 前瞻性:無線充電技術代表了科技的前沿發展。它是一種新興的充電方式,能夠滿足不斷增長的智能設備市場需求。隨著越來越多的裝置整合了無線充電功能,使用者可以享受到更多的選擇和便利。此外,無線充電技術不斷演進,有望提高充電速度和效率,從而更好地滿足人們對快速、高效充電的需求。

總括來說,無線充電技術的方便性、保護接口和前瞻性使其成為一種吸引人的充電方式,為人們帶來了更便捷的充電體驗,同時也符合現代科技發展的趨勢!

無線充電的缺點:

儘管無線充電技術帶來了許多優點,但也存在一些缺點,包括:

  1. 較高的成本:無線充電技術相對於傳統有線充電方式通常具有較高的成本。無線充電需要特殊的充電基座或充電墊以及兼容無線充電的設備,這些附加設備和技術增加了生產和購買的成本。此外,無線充電基礎設施的建立和維護也需要投入一定的資金。

  2. 較大的能源消耗:無線充電技術通常需要較大的能源消耗。雖然無線充電的效率在不斷提高,但與有線充電相比,它仍然需要更多的能量來傳輸和接收無線能量。這可能導致能源浪費和效能下降。同樣,無線充電時,可能會有一部分能量轉化為熱能,這可能引起充電設備過熱的問題。

需要注意的是,優缺點可能會因具體的無線充電技術和設備而有所不同。以上僅列舉了一般情況下的優缺點。

正確充電方法

正確的充電方法對於保護手機電池的健康並延長其壽命至關重要。遵循正確的充電慣例,您可以優化電池的性能,避免不必要的磨損,並確保手機使用更長的時間。以下是6個正確充電方法,令您可以增強手機的電池壽命和整體性能!

6個正確充電方法:

  1. 使用正確的充電器:建議使用由手機原廠提供的充電器,或符合設備規格的認證充電器。

  2. 避免極端溫度:暴露在過高或過低的溫度下可能會對電池性能和整體健康產生負面影響。

  3. 避免過度充電:一旦您的智慧型手機充飽電,請立即拔掉充電器。

  4. 避免讓電池完全耗盡:一般建議在智慧型手機的電量降至約20%或更高時再充電。盡量避免完全耗盡電池後再充電。

  5. 充電時避免使用手機:在充電過程中使用手機可能會產生熱量,並可能減慢充電速度。

  6. 定期重新啟動手機:定期重新啟動手機有助於優化其性能和電池效能。這樣可以清除臨時文件,刷新系統,對整體電池健康有所幫助。

請記住,這些是充電智慧型手機的一般指南。對於針對您的設備量身定制的具體指示或建議,最好請參考返手機製造商的官方網站。

結論

物理與我們日常息息相關,智能手機背後的物理學知識對於我們更好地管理電池壽命和充電行為至關重要。通過了解充電對電池壽命的影響以及無線充電背後的電磁感應原理,我們可以更好地選擇充電方式和充電器,延長電池壽命並提高充電效率。同時,我們也可以持續瞭解科學研究和技術創新的進展,以期望未來的智能手機能夠提供更長的電池壽命和更高效的充電方式。

最後,如果你想進一步了解這些日常現象背後的物理原理和公式的應用,或者想看更多的物理相關內容,歡迎瀏覽我們的其他文章。Uni+課程涵蓋高中DSE所有重點,助學生深入理解物理基礎與應用,事半功倍地掌握物理應試技巧,一起來探索物理的世界吧!

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本文參考文獻:

  • 台灣國立雲林科技大學, 電子工程學院,2020-01-13 發佈,無線電之研究論文

  • 外國物理網誌 Journal of Physics: Conference Series, 教授N Hindarto and Wiyanto *(*2017) 824 012012

    <https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/824/1/012012/pdf>
  • 喬治亞州州立大學超物理筆記

  • 科技雜誌新通訊,沛亨半導體,林孟宏, 第64期6月號。

  • Griffiths, David J. Introduction to Electrodynamics Third Edition. Upper Saddle River NJ: Prentice Hall. 1999

  • 科學月刊第620期,薇閣中學物理科教師,王冠智,2021-08-02 發佈。

  • https://www.chinatimes.com/amp/hottopic/20150910005670-260802

  • 費曼把聯繫磁通量及電動勢的定律叫「通量定則」。Richard Phillips Feynman, Leighton R B & Sands M L. The Feynman Lectures on Physics

  • https://www.youtube.com/watch?v=YRCsz- kUKM0&list=PLTQ2T0cDHYPdwqJTNdhCNVgvR8dCNxIRg&index=2,電磁感應【觀念】法拉第電磁感應(1/4):磁通量(選修物理IV)。

  • James Clerk Maxwell. A treatise on electricity and magnetism v. 2. Oxford UK: Clarendon Press. 1881

  • 國立彰化師範大學,物理學院,無線充電探究與實作論文

  • 美國俄勒岡州立大學,工程學院,「電子流和傳統電流」研究論文

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