中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
能源是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)，也是人類生活質(zhì)量的重要標(biāo)志。從第一次電能使用開(kāi)始，電力總是通過(guò)金屬導(dǎo)線/電纜高效地、安全地、準(zhǔn)確地傳輸。作為化石燃料、核能、水力發(fā)電的主導(dǎo)技術(shù)，電磁感應(yīng)發(fā)電技術(shù)依賴于洛倫茲力驅(qū)動(dòng)的自由電子在金屬導(dǎo)線中的流動(dòng)。為了滿足移動(dòng)電子產(chǎn)品、物聯(lián)網(wǎng)與傳感網(wǎng)絡(luò)的能量需求，實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線傳輸至關(guān)重要，尤其對(duì)于植入式醫(yī)療器件、安全、射頻識(shí)別等領(lǐng)域的應(yīng)用。目前，無(wú)線電力傳輸技術(shù)通常是基于感應(yīng)線圈和/或天線的。與無(wú)線通信技術(shù)相比，無(wú)線充電技術(shù)在增強(qiáng)無(wú)線器件與系統(tǒng)的適應(yīng)性和移動(dòng)性方面非常重要。雖然現(xiàn)在有電磁感應(yīng)、磁共振和無(wú)線電波三種無(wú)線充電技術(shù)模式，但這些技術(shù)仍是相當(dāng)復(fù)雜且低效?！ ?br/>
1861年，英國(guó)科學(xué)家麥克斯韋提出物理學(xué)第一大方程組——麥克斯韋方程組，并在方程組里大膽創(chuàng)新地引進(jìn)位移電流的概念。麥克斯韋位移電流不同于常規(guī)觀察到的自由電子傳導(dǎo)的電流，而是由于時(shí)間變化的電場(chǎng)再加上隨時(shí)間變化的原子束縛電荷的微小運(yùn)動(dòng)和材料中的電介質(zhì)極化。位移電流的第一項(xiàng)統(tǒng)一了電場(chǎng)和磁場(chǎng)，并預(yù)言了電磁波的存在，奠定了無(wú)線通訊的物理基礎(chǔ)。位移電流的第二項(xiàng)被發(fā)現(xiàn)是納米發(fā)電機(jī)的根本理論基礎(chǔ)和來(lái)源，在無(wú)線供電方面具有重要的潛在應(yīng)用。納米發(fā)電機(jī)的理論根源與傳統(tǒng)的電磁發(fā)電機(jī)有本質(zhì)區(qū)別，電磁發(fā)電機(jī)利用變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電流，采用洛倫茲力驅(qū)動(dòng)的電阻性自由電子傳導(dǎo)的機(jī)理，而納米發(fā)電機(jī)利用表面極化電荷引起的極化場(chǎng)的變化來(lái)發(fā)電，采用電容性位移電流的機(jī)理。納米發(fā)電機(jī)是麥克斯韋位移電流繼電磁波理論和技術(shù)后在能源與傳感方面的另一重大應(yīng)用，將影響物聯(lián)網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)色能源和大數(shù)據(jù)等技術(shù)領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展?！ ?br/>
近日，中國(guó)科學(xué)院院士、中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所首席科學(xué)家王中林，北京納米能源所-北京科技大學(xué)雙聘教授曹霞，以及北京科技大學(xué)教授王寧研究團(tuán)隊(duì)，開(kāi)展了基于麥克斯韋位移電流的自驅(qū)動(dòng)無(wú)線電力傳輸研究。該研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事微納能源和納米發(fā)電機(jī)的研究工作，得益于研究工作的積累，并結(jié)合生活中觀察到的摩擦起電現(xiàn)象，首次提出將麥克斯韋位移電流應(yīng)用于無(wú)線電力傳輸?shù)南敕?，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了具有柵格結(jié)構(gòu)的接觸滑動(dòng)式旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)以及柔性可穿戴式發(fā)電機(jī)，外界的機(jī)械驅(qū)動(dòng)/刺激引起極化電荷分布以及空間電位移場(chǎng)隨時(shí)間發(fā)生周期性變化，從而產(chǎn)生位移電流。這些發(fā)電機(jī)通過(guò)位移電流的原理無(wú)線收集周圍環(huán)境中的機(jī)械能，可持續(xù)地為各種便攜式和可穿戴式電子設(shè)備供電。該無(wú)線電力傳輸技術(shù)為低頻（<5Hz）下的能量傳輸提供了更有效的方法。相關(guān)研究成果發(fā)表在Advanced Materials上。
基于麥克斯韋位移電流的無(wú)線電力傳輸及驅(qū)動(dòng)便攜式、可穿戴式電子設(shè)備示意圖
