人们现在有个愿景，那就是无线输电技术能早日实现。代表着第二次工业革命的开始：电能进入普通人的生活已经一个多世纪了，但是我们都无法摆脱一根电线的束缚，现在人们所有的用电都需要进过一根电线去传输，人类何时才能做到无线输电呢？电能无线传导技术其实现在已经实现了，只是传导的距离非常近。
无线输电技术的前景展望
无线电能传输(Wireless Power Transfer)自20世纪初尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)首次试验以来，已经有了一个多世纪的发展。从1891到1904年间，特斯拉展开了一系列试验，通过磁感应耦合线圈将交流电无线传输一个很短的距离。图1正是特斯拉试验的一个原理图，通过磁感应耦合，特斯拉成功通过无线电能传输的方式点亮了一只灯泡。
特斯拉无线电能传输试验原理图
1901年，特斯拉开始在纽约长岛建造大型高压线圈——沃登克里弗塔，又叫做特斯拉塔，目标是构建全球输电系统的原型，可惜到1904年，他的计划被迫停止，至今也未完成。图2是一张沃登克里弗塔的照片。
1904年的沃登克里弗塔
自此以后，无线电能传输的研究开始向两个方向发展：
近场，或者叫做非辐射域。一般认为小于一个波长的距离。
远场，或者叫做辐射域。一般认为大于一个波长的距离。
近场方面，无线电能传输的主要实现方式有：磁感应耦合，电容耦合，动磁耦合。远场方面，无线电能传输的主要实现方式有：微波，激光。下面就说一下比较代有表性的磁感应耦合和微波。
磁感应耦合，又分为一般磁感应耦合和共振磁感应耦合。后者较之前者工作在一次侧和二次共同谐振频率上，由于耦合线圈具有很高的Q值，所以在谐振状态下可以实现高效率的感应耦合。此外，二者在工作频率和传输距离上也有一些区别。前者一般工作在Hz~MHz，适用于近距离传输;后者一般工作在MHz~GHz，适用于近距离和中距离传输。对于共振磁感应耦合，最著名的应该是MIT的研究者在2007年这篇paper里所述的工作，他们成功利用共振磁感应耦合的方式点亮了一个8倍于线圈半径的，2米之外的60W灯泡。基于磁感应耦合的无线充电是目前研究最多，应用最广泛的方式，从我们生活中熟悉的电动牙刷，手机，到电动汽车，再到植入人体的医疗设备，无线充电以可以接受的的充电效率和其他众多优势(安全，多设备同时充电，酷炫等等)已经被应用到众多产品中。图3~5分别是磁感应耦合式无线充电实际应用。
微波，具有更好的传输支线性和距离远的特点，通常工作在GHz。基于微波的无线电能传输技术主要考虑应用在太阳能卫星向地面传输能量[5]和小型无人机的供能方面。相关的工作早在1964年美国就通过微波实现了一架悬停于18m高的直升飞机供电。最近又有报道称日本的三菱重工成功两次实现了微波无限电能传输，传输距离达到了500米。
对于未来无线电能输电的研究方向，主要有：
进一步提高传输效率。尽管目前磁感应耦合式的无线电能传输效率已经能高达90%，但几乎都是在一次侧与二次侧线圈完全对准并且距离很小的时候的最高效率。如何减小传输效率随线圈距离增加而快速下降?如何实现谐振状态跟踪，使系统谐振状态一直保持不随线圈距离变化而改变?如何设计更高效的线圈?这些都是近几年无线电能传输领域的热点问题。
提高电能传输功率。自从2009年无线充电联盟(Wireless Power Consortium)提出第一版的“Qi”标准以来，低功率5W或以下的磁感应耦合无线充电已经有了统一的标准。直到2013年，该联盟成员已有145家公司，包括诺基亚、HTC、三星等。在未来，期待有千瓦级适用于电动汽车的无线充电标准的诞生，这将会是无线充电在电动汽车领域运用的一个新的里程碑。
增加传输距离。Qi标准中的传输距离从5mm到40mm，对于中等距离的无线电能传输，可以通过加设中继线圈实现，如4线圈系统，甚至是多米勒骨牌式的线圈系统，如图6。
基于多米勒骨牌式的线圈系统的无线电能传输
对其他物体的监测和屏蔽，减少对其他非接收物体的影响。这一点对于大功率，远距离的无线电能传输尤为重要。
总而言之无线电能传输技术作为一种新的电能传输方式，还有许许多多的问题值得去研究。无线电能传输体现了人类对能源高效，灵活，以及在各种环境下使用的追求。
无线输电离我们还有多远?
2015年3月， 日本三菱重工公司在地面实现了长达500米的微波无线输电，无线输电的工业用途的大门慢慢打开。随后，韩国三星等公司发明的无线手机充电器的上市和AR designs公司发明的无线悬浮手机充电器的众筹开始，手机的无线充电备受大众瞩目。
前不久，据《今日俄罗斯》新闻社报导，俄罗斯火箭宇航“能源”公司的研发人员利用激光束，在1.5千米的距离上成功的对手机进行了无线充电。无线输电不仅可以利用到手机上，甚至还可以利用到家庭电网中，只要是需要供电的地方都可以利用无线输电传达。相对于有线输电而言，无线输电似乎看起来更加高大上，那么相对于有线输电而言，无线输电真的更加的安全可靠吗?无线输电距离我们还有多远?
近：天宫二号，远：国际空间站(示意，不代表实际距离)
有线输电
如今，从国家电网到手机充电数据线，全世界都普遍采用有线输电的方式。为了防止人们不受电击，输电线或数据线都在最外层的表面采用绝缘材料包裹起来。但是，输电线必然存在着一定的电阻，这就意味着电流在传输的过程中肯定会存在一定的损耗。综合铜的优良导电性能和相对合理的价格，目前，广泛采用铜作为输电线的核心材料。当然，大千世界无奇不有，也存在一种新型材料——高温超导电缆，当该材料进入超导状态时，电流通过该电缆完全没有热损耗，遗憾的是，该材料价格昂贵，并且需要液氮在零下100多摄氏度的温度下长时间冷却，因而该应用受到一定的阻碍。
高温超导输电线内部构造
有线输电不仅存在一定的电量损耗，还在安装架设的过程中受天气和地形的影响，如最近我国即将竣工的首条天山输电线路——伊库750KV线路。该线路耗资20亿左右，并且由于身处天山，施工相当困难。于是，脑洞大开的人类就思考着一种新型的输电方式——无线输电。
电磁感应输电
随着手机的全球普及化，人们不仅追求手机的外观造型、手感和价格等，也逐渐重视手机是否能够进行无线充电。手机无线充电的原理其实很简单，就是利用了电磁学中的电磁感应原理(较为详细且有趣的介绍请移步《手机是怎样实现无线充电的?》)。
著名的物理学家麦克斯韦建立起麦克斯韦方程组就是基于两个电磁学中的物理现象——变化的电场产生变化的磁场，变化的磁场产生变化的电场。由于在进行手机的无线充电时，电磁场作用的强度范围跟手机和发射器的相对距离紧密相关，因而，最初各大厂家的手机无线充电器都是和手机紧密相连的。但是如果手机和充电设备仍然是紧密相连的，似乎所谓的“无线充电”就失去意义了。因而，脑洞大开的AR designs公司又在此基础上实现了真正意义上的无线充电——OVR charge(无线悬浮充电)。毫无疑问，该款手机之所以能够悬浮起来，就是利用了同性磁的排斥作用，只需在手机的后盖和充电底座上安装相应的磁性物质即可。
其实，不管是手机还是其他的需要充电的设备，理论上都可以利用电磁感应原理进行无线充电，不过这在距离上仍然会受到一定的限制。除了利用电磁感应原理充电以外，美国的一个研究小组甚至还利用无线路由器和经过改良后的电子设备进行无线充电[1]。但是用过路由器的人都应该知道，路由器所发射的信号强度的范围也有限，因而不管是利用电磁感应原理还是路由器进行无线充电都受到了一定的距离限制。尽管如此，电气设备的无线充电相对于有线输电来说是更为安全的。
路由器发射的无线信号充电
等离子无线输电
一般而言，物体的物理形态分为固态、液态和气态，但是随着温度的升高，气体分子高速运动碰撞进而产生所谓的“电离”(原子或分子中带负电的电子和带正电的离子相互分离)。由于带有负电的电子和带有正电的离子所拥有的电荷量是一样的，整个离子气体呈中性，故称为“等离子气体”。据统计，在宇宙中有99%的物质都是等离子体[2];而在日常生活中，常见的等离子体存在于高温的火焰中、闪电、极光和火箭喷射出的火焰等。
自然界中的等离子体
那么，等离子体又是怎样和无线输电扯上关系的呢?前面已经提过了，等离子气体整体虽然呈现电中性，但是电子和离子已经相互分离。那么如果我们人为的在空间中含有等离子气体的区域两端外加一定的电压或者电场时，就会让等离子体相向运动，形成一个“通路”。甚至随着电压的不断的增加，空气中等离子体或得到补充，原本所形成的“通路”将一直维持下去，这样利用等离子体无线输电就大致形成。但是，这样形成通路过后，人是不能轻易靠近的，等离子体具有很高的温度很容易造成烫伤(所谓的“烫伤”其实就是大量高速运动的粒子撞击你的皮肤，所撞击的力度和时间决定了你烫伤的程度)，因而如果说想利用等离子体来进行输电的话，对等离子体进行约束——磁约束。但是高温超导带材造价昂贵，并未在市面上得到普及，一般磁约束就应用于核聚变发生器中。
利用超导线圈磁约束等离子体
激光束无线输电
2016年10月，俄罗斯的火箭宇航“能源”公司的研发人员利用激光束和一个特殊的光电转换装置，为远在1.5千米开外的手机进行了无线充电，从而打开了千米级无线输电的大门。
激光束
然而，该“能源”公司的研发人员并不打算将该技术应用于地球上的日常生活中，他们瞄准的是外太空。由于外太空的空气极为稀薄，激光的传输损耗较少，可以利用激光束为绕地飞行的卫星进行无线充电[3]，进而让卫星具有更长的寿命，当然，目前该研究还在进一步的完善中。
特斯拉线圈
1908年6月30日，在现如今的俄罗斯的西伯利亚埃文基自治区的通古斯河的附近，发生了一次大爆炸，也称为“通古斯大爆炸”。据物理学家估算，该爆炸的威力相当于美国在日本广岛投放的原子弹威力的1000倍。而造成这次大爆炸的原因到现在还不得而知，当然有一部分人猜测这个爆炸可能跟物理学家特斯拉(跟现在很火的特斯拉车没有关系)制造的特斯拉线圈有关。
先不管通古斯大爆炸是不是特斯拉引起的，我们就先来看看到底特斯拉线圈有着怎样的威力，怎么会和一次大爆炸扯上关系的。
特斯拉线圈原理图
传统的特斯拉线圈是由一个变压器、打火器、电容器。初/次级线圈和一个放电罩组成。先从一个低压的交流电电源输出一个电压到变(升)压器(变压器可分为升压器和降压器，具体的区别可参见《居民家庭电压220V是怎样确定的?》一文)进行电压的升压，然后进行全波整流(把交流电的方向转变为同一个方向)对电容C1充电。如果充电足够多的话，以至于能够使得打火器击穿空气使得空气电离，电能就可以在电容器C1、打火器和初级线圈L1之间形成了一个LC震荡(LC震荡可产生电磁波)。而放电罩C2可以和地面形成一个所谓的“对地等效电容”，相应的，这个“对地等效电容”可以和次级线圈L2再形成一个LC震荡电路。当初级线圈和次级线圈形成的各自的LC震荡回路产生的电磁波达到一个共振的时候，次级线圈就会吸收初级线圈的能量。随着震荡的继续，放电罩的电压不断增加直到击穿空气并进行比较大规模的放电。如果在放电罩的下端放置一些导体的话，放电罩将与导体之间形成一些电弧，据此可以依靠空气进行无线输电。
特斯拉线圈击穿空气放电
事实上，特斯拉线圈可产生上百万伏的电压甚至可能更大，特斯拉生前有想过利用特斯拉线圈产生巨大高压的特性来进行全球范围内的无线输电。之后他在美国的长岛建立了一个可以输送100万伏的高压特斯拉线圈，在特斯拉进行实验的那段时间里，长岛附近偶尔发生了轻微的地震并且影响了当地的天气。巧合的是，不久之后在通古斯就发生了巨大的爆炸，据此有人便猜测通古斯大爆炸可能与特斯拉有关。
防护罩保护人免受电击
利用特斯拉线圈可以进行远距离的无线输电，只需建造一个特斯拉线圈的发射站和一个接收站，如果特斯拉线圈放出的能量足够高可以击穿大气层进而利用电离后的大气的导电性，就可以实现两个基站之间的无限输电了。当然，利用特斯拉线圈进行无限输电的安全性有待考量，因为借助特斯拉线圈进行长距离的输电，肯定要求发射出的电压极高(可能千万亿伏)才能击穿分布在广大空间的大气层。毫无疑问，在大气层中如果有如此高的电压，这对航空行业必然带来一定的威胁，同时对地面的高耸建筑物也会带来一定“电击”的可能。就目前我们所知道的，暂时还没有找到一条可以适合长距离的适合特斯拉线圈输电的绿色通道。
因此，不管是从理论上还是生活实践中，短距离的无线输电(如蓝牙、电磁感应、无线网络和等离子输电)是完全可以实现。但是鉴于长距离的无线输电(激光束输电和特斯拉线圈输电)的日常生活的实用性、安全性和空间局域性(空中输电线路)，长距离的无线输电还有很长的路要走。
