การชาร์จสมาร์ทโฟนไร้สาย (wireless charging) และกฎการเหนี่ยวนําของฟาราเดย์

          ในปลายปี ค.ศ. 2019 สมาร์ทโฟนรุ่นใหม่ๆมักมีความสามารถพิเศษคือไม่ต้องเสียบสายไฟต่อกับเครื่องเพื่อที่จะชาร์จแบตเตอรี่อีกต่อไป เรามีทางเลือกที่จะใช้ความสามารถการชาร์จไร้สาย (wireless charging) ได้ แต่มันมีหลักการทำงานอย่างไร เรื่องนี้เกี่ยวข้องกับกฎการเหนี่ยวนําของฟาราเดย์ (Faraday's law of induction)


          ไมเคิล ฟาราเดย์ (มีชีวิตอยู่ในช่วงระหว่างปี ค.ศ. 1971- ค.ศ.1867) เป็นหนึ่งในนักฟิสิกส์ด้านการทดลองที่ยิ่งใหญ่ที่สุด แม้เขาจะไม่ได้รับการศึกษาจากโรงเรียนในระบบมากนัก แต่เขาก็มีผลงานด้านฟิสิกส์จำนวนมาก น่าเสียดายที่เขามีความรู้ทางคณิตศาสตร์ที่ไม่มากนักจึงเป็นอุปสรรคต่อการสร้างทฤษฎีเพื่อบรรยายการค้นพบของเขา ซึ่งถูกสานต่อโดยเจมส์ คลาร์ก แมกซ์เวลล์ (James Clerk Maxwell) กฎการเหนี่ยวนําของฟาราเดย์หรือเรียกสั้นๆว่ากฎของฟาราเดย์เป็นความรู้พื้นฐานที่สำคัญในวิชาแม่เหล็กไฟฟ้า นักวิทยาศาสตร์ทราบว่ากระแสไฟฟ้าสามารถสร้างสนามแม่เหล็กได้ และในทางกลับกันสนามแม่เหล็กสามารถสร้างสนามไฟฟ้าทำให้เป็นตัวขับเคลื่อนกระแสไฟฟ้าได้ ความสัมพันธ์ระหว่างสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าที่ทำให้เกิดการเหนี่ยวนำนี้เราเรียกว่ากฎการเหนี่ยวนําของฟาราเดย์

 

          โดยเราสามารถอธิบายได้ว่ากฎของฟาราเดย์หมายถึงขนาดของแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำในตัวนำเป็นสัดส่วนกับอัตราการเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็ก โดยเราสามารถทดลองนำแท่งแม่เหล็กเคลื่อนที่เข้าออกจากขดลวดที่ต่อกับแอมมิเตอร์ (ammeter) จะพบว่ามีกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นในวงจรไฟฟ้า แล้วถ้าเราขยับแท่งแม่เหล็กเข้าออกเร็วขึ้น กระแสไฟฟ้าที่ได้ก็จะมากขึ้น

            การชาร์จไร้สายหรือ Inductive charging นั้นเป็นการใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าในการส่งพลังงานระหว่างขดลวด โดยยกตัวอย่างเช่นการชาร์จสมาร์ทโฟน จะมีอุปกรณ์ 2 อย่างคือสมาร์ทโฟนและแผ่นชาร์จ (Charging Pad) ซึ่งข้างในนี้จริงๆแล้วก็คือขวดลวดจำนวนมากที่พันวนเป็นวงกลมอยู่ข้างในเราเรียกว่า transmitter coil ส่วนในสมาร์ทโฟนก็จะมีขดลวดเล็กๆอีกอันที่เราเรียกว่า receiver coil  เมื่อเราวางสมาร์ทโฟนลงในแผ่นชาร์จ โดยเริ่มต้นไฟฟ้ากระแสสลับจะถูกส่งไปยัง transmitter coil ไฟฟ้ากระแสสลับที่ไหลอยู่ในขดลวดนี้จะสร้างสนามแม่เหล็กซึ่งมีระยะทางไปถึง receiver coil ในสมาร์ทโฟน สนามแม่เหล็กใน receiver coil สร้างกระแสไฟฟ้า และสุดท้ายกระแสไฟฟ้าที่ไหลในขดลวดนี้ถูกเปลี่ยนไปเป็นไฟฟ้ากระแสตรงและทำให้เกิดการชาร์จแบตเตอรี่ในสมาร์ทโฟน 


          การขนส่งพลังงานไฟฟ้าโดยไม่ต้องใช้สายไฟนั้นมีมาตั้งนานแล้วตั้งแต่ยุคของนิโคลา เทสลา แต่การทดลองในยุคนั้นยังไม่ประสบความสำเร็จเท่าที่ควรนัก แม้ในปัจจุบันบริษัทต่างๆนิยมการชาร์จแบบไร้สายมากขึ้นทั้งในสมาร์ทโฟน แปรงสีฟันไฟฟ้า รถยนต์ไฟฟ้า เป็นต้น แต่มันก็ยังมีข้อเสียและข้อจำกัดหลายประการ เช่นมันมีประสิทธิภาพ (efficiency) ต่ำว่าการชาร์จแบบมีสาย และเนื่องจากการมีประสิทธิภาพต่ำนี้เอง การชาร์จแบบไร้สายจึงใช้เวลาช้ากว่าประมาณร้อยละ 15 เทียบกับการชาร์จแบบปรกติ และบางครั้งพบว่ามันทำให้แบตเตอรี่ร้อนขึ้น ส่งผลต่ออายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลดลง


          ความฝันของนิโคลา เทสลาจะเป็นจริงได้ถ้านักวิจัยสามารถสร้างการชาร์จไร้สายระยะไกลเช่นระยะทางหลายสิบเมตรไปจนถึงหลายกิโลเมตร และต้องหาวิธีเพิ่มประสิทธิภาพ ซึ่งเป็นโจทย์ยากที่ท้าทาย ซึ่งก็มีนักวิจัยทำงานวิจัยด้านนี้ได้จดสิทธิบัตรในเรื่องนี้บางส่วนแล้วเช่นสิทธิบัตรของ John D. Joannopoulos และคณะในเรื่อง Wireless energy transfer over a distance at high efficiency ในปี ค.ศ. 2013 แต่จนกว่าจะสามารถสร้างเป็นผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์เราอาจจะต้องรอเวลาอีกหลายปี โลกในอนาคตอาจจะไม่มีเสาฟ้าให้เห็นอีกต่อไปแล้วก็เป็นไปได้

 

อ้างอิง
 

• Joannopoulos, J. D., Karalis, A., & Soljacic, M. (2013). U.S. Patent No. 8,395,283. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office.
• Resnick, R., Walker, J. and Halliday, D. (2014). Fundamentals of physics. Hoboken, N.J.: Wiley.  
• https://www.popularmechanics.com/technology/gear/a28679177/how-wireless-charging-works/
• https://www.pocket-lint.com/phones/news/140239-wireless-charging-explained