Как зарядка наполняет телефон энергией без единого провода

Энергия перепрыгивает из коврика в телефон не по проводу, а по невидимому магнитному полю между двумя катушками.

Беспроводная зарядка — это трансформатор, разрезанный пополам: одна катушка в подставке создаёт переменное магнитное поле, вторая в телефоне ловит его и превращает обратно в ток.

Трансформатор без сердечника

В основе лежит явление электромагнитной индукции, открытое ещё Майклом Фарадеем в XIX веке: переменный ток в одной катушке создаёт переменное магнитное поле, а это поле наводит ток в другой катушке поблизости. Именно так работают обычные трансформаторы — только там обе обмотки сидят на общем железном сердечнике.

В беспроводной зарядке трансформатор как бы разрезали пополам. Передающая катушка живёт в подставке, приёмная — в телефоне. Между ними воздух, стекло и пластик корпуса. Поле спокойно проходит сквозь эти неметаллические преграды — поэтому заряжать можно прямо через чехол.

Как ток превращается в поле и обратно

Подставка пропускает через свою катушку переменный ток высокой частоты. Вокруг катушки возникает быстро меняющееся магнитное поле. Телефон кладут так, чтобы его катушка попала в это поле. Меняющееся поле наводит в приёмной катушке переменный ток.

Но батарее нужен постоянный ток. Поэтому в телефоне наведённый переменный ток выпрямляется и стабилизируется, а уже затем заряжает аккумулятор. Грубо говоря, энергия идёт по цепочке:

сеть -> ток в катушке подставки -> магнитное поле
     -> ток в катушке телефона -> выпрямление -> батарея

Почему важно точно положить

Магнитное поле быстро ослабевает с расстоянием и в стороны. Если катушки смещены или между ними толстый зазор, до приёмника доходит лишь малая доля поля — зарядка идёт медленно или вовсе срывается. Поэтому в подставках бывают магниты для выравнивания или несколько катушек, чтобы телефон «ловился» в любом положении.

Чтобы передавать энергию эффективнее, катушки настраивают в резонанс — подбирают их так, чтобы они «раскачивались» на одной частоте, как качели в такт толчкам. В резонансе даже небольшой зазор переносит заметно больше мощности.

Зачем зарядке разговаривать

Прежде чем гнать полную мощность, подставка и телефон договариваются. Это делает стандарт Qi — общий язык беспроводных зарядок. Телефон по той же катушке посылает подставке короткие сообщения: «я здесь», «мне нужно столько-то ватт», «хватит, я заряжен».

Это важно по двум причинам. Во-первых, чтобы не лить мощность впустую, когда телефона нет. Во-вторых, ради безопасности: если на коврик положили монету или ключи, подставка заметит, что приёмник не отвечает по протоколу, а энергия куда-то уходит и греет металл, — и отключится. Без такого распознавания посторонний металл мог бы опасно нагреться.

Откуда тепло

Беспроводная передача всегда чуть менее эффективна, чем кабель: часть энергии рассеивается в виде тепла — в катушках, в электронике выпрямления, в полях, что прошли мимо приёмника. Поэтому телефон на коврике обычно теплее, чем на проводе, и заряжается чуть медленнее. Это плата за удобство «положил и забыл».

Нагрев нежелателен ещё и потому, что высокая температура вредит литиевому аккумулятору. Хорошие зарядки следят за температурой и сбавляют мощность, если телефон нагрелся, — отсюда и эффект «греется, но заряжается не торопясь».

Почему не на метр

Раз поле проходит через воздух, почему нельзя заряжать через всю комнату? Потому что обычная индукция эффективна лишь на сантиметрах: дальше поле рассеивается во все стороны, и до приёмника доходят крохи. Передавать заметную мощность на метры можно, но КПД падает, а требования безопасности растут — поэтому массовая зарядка пока остаётся «контактной по полю», вплотную.

Итог

Беспроводная зарядка — это половинка трансформатора, где магнитное поле переносит энергию через воздух и корпус, резонанс повышает отдачу, а протокол Qi заставляет устройства договариваться и беречься от посторонних предметов. Немного тепла и чуть меньшая скорость — честная цена за то, чтобы просто класть телефон на стол, а не искать в темноте разъём.