中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
能源是當今社會(huì )發(fā)展的基礎，也是人類(lèi)生活質(zhì)量的重要標志。從第一次電能使用開(kāi)始，電力總是通過(guò)金屬導線(xiàn)/電纜高效地、安全地、準確地傳輸。作為化石燃料、核能、水力發(fā)電的主導技術(shù)，電磁感應發(fā)電技術(shù)依賴(lài)于洛倫茲力驅動(dòng)的自由電子在金屬導線(xiàn)中的流動(dòng)。為了滿(mǎn)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)現電能的無(wú)線(xiàn)傳輸至關(guān)重要，尤其對于植入式醫療器件、安全、射頻識別等領(lǐng)域的應用。目前，無(wú)線(xiàn)電力傳輸技術(shù)通常是基于感應線(xiàn)圈和/或天線(xiàn)的。與無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相比，無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)在增強無(wú)線(xiàn)器件與系統的適應性和移動(dòng)性方面非常重要。雖然現在有電磁感應、磁共振和無(wú)線(xiàn)電波三種無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)模式，但這些技術(shù)仍是相當復雜且低效?！ ?br/>
1861年，英國科學(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觀(guān)察到的自由電子傳導的電流，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動(dòng)和材料中的電介質(zhì)極化。位移電流的第一項統一了電場(chǎng)和磁場(chǎng)，并預言了電磁波的存在，奠定了無(wú)線(xiàn)通訊的物理基礎。位移電流的第二項被發(fā)現是納米發(fā)電機的根本理論基礎和來(lái)源，在無(wú)線(xiàn)供電方面具有重要的潛在應用。納米發(fā)電機的理論根源與傳統的電磁發(fā)電機有本質(zhì)區別，電磁發(fā)電機利用變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電流，采用洛倫茲力驅動(dòng)的電阻性自由電子傳導的機理，而納米發(fā)電機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理。納米發(fā)電機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用，將影響物聯(lián)網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡(luò )、藍色能源和大數據等技術(shù)領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展?！ ?br/>
近日，中國科學(xué)院院士、中科院北京納米能源與系統研究所首席科學(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)教授王寧研究團隊，開(kāi)展了基于麥克斯韋位移電流的自驅動(dòng)無(wú)線(xiàn)電力傳輸研究。該研究團隊長(cháng)期從事微納能源和納米發(fā)電機的研究工作，得益于研究工作的積累，并結合生活中觀(guān)察到的摩擦起電現象，首次提出將麥克斯韋位移電流應用于無(wú)線(xiàn)電力傳輸的想法，進(jìn)一步設計了具有柵格結構的接觸滑動(dòng)式旋轉發(fā)電機以及柔性可穿戴式發(fā)電機，外界的機械驅動(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)電機通過(guò)位移電流的原理無(wú)線(xiàn)收集周?chē)h(huán)境中的機械能，可持續地為各種便攜式和可穿戴式電子設備供電。該無(wú)線(xiàn)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A(yíng)dvanced Materials上。
基于麥克斯韋位移電流的無(wú)線(xiàn)電力傳輸及驅動(dòng)便攜式、可穿戴式電子設備示意圖
