2. 电磁场与磁耦合基础
无线充电的物理本质，是发射线圈与接收线圈之间通过交变磁场完成能量传递。要理解线圈为什么能“隔空送电”，必须回到四个基础概念：安培环路定理、法拉第电磁感应定律、互感与耦合系数，以及磁场分布。它们分别回答了“磁场从哪来”“电从哪来”“耦合有多强”“磁场长什么样”这四个问题。
一、安培环路定理：电流如何产生磁场
安培环路定理指出，磁场强度沿任意闭合回路的线积分，等于该回路所包围的传导电流代数和。用公式表达为：
∮ H · dl = I_enc
（微分形式：∇ × H = J）对无线充电线圈而言，这个定理直接决定了发射线圈的磁场强度。当线圈匝数为 N、电流为 I 时，磁动势为 N·I，即“安匝数”。在磁芯磁路中，若磁路平均长度为 le，则磁场强度 H ≈ N·I / le。这说明：增大匝数或电流，可以增强磁场；而磁路越长，磁场越被“摊薄”。这也是为什么发射线圈常采用多匝螺旋结构，并在背面加铁氧体磁芯来约束磁通路径。
需要区分两个量：磁场强度 H 只与电流和几何有关，而磁感应强度 B = μH 还与介质磁导率 μ 有关。铁氧体的 μ 可达空气的数百倍，因此加磁芯后同样的安匝数能获得更强的 B，从而提升耦合能力。
二、法拉第电磁感应定律：磁场如何产生电
法拉第电磁感应定律指出，闭合回路中的感应电动势等于穿过该回路磁通量的负变化率：
ε = -N · dΦ/dt
（Φ 为单匝磁通，N 为匝数）负号即楞次定律，表示感应电流总是反抗磁通变化。对接收线圈来说，发射线圈产生的交变磁场穿过接收线圈，磁通随时间变化，就在接收端感应出交流电压。工作频率越高、磁通变化越快、匝数越多，感应电压越大。这正是无线充电普遍采用 100 kHz～200 kHz 甚至更高频段的原因——在有限磁场强度下，靠频率提升 dΦ/dt。
关键联系：安培环路定理负责“电生磁”，法拉第定律负责“磁生电”。两者串联，构成无线充电的完整能量链路：发射端电流 → 交变磁场 → 接收端感应电压 → 整流后给负载供电。
三、互感与耦合系数：耦合有多强
两个线圈之间的磁耦合程度用互感 M 描述。当发射线圈电流为 I₁ 时，它在接收线圈中产生的磁链为 Ψ₂₁，则 M = Ψ₂₁ / I₁。互感取决于两线圈的匝数、尺寸、相对位置、轴向距离以及介质磁导率。
工程上更常用耦合系数 k 来评价耦合强弱：
k = M / √(L₁ · L₂) 0 ≤ k ≤ 1其中 L₁、L₂ 分别为发射和接收线圈的自感。k 越接近 1，说明磁通几乎全部交链；k 越小，漏磁越多。无线充电中，线圈间距通常为几毫米到几十毫米，k 一般在 0.1～0.7 之间。k 过低会导致传输效率骤降，因此需要通过线圈对准、加磁芯、增大线圈直径等方式提升 k。
| 参数 | 物理含义 | 对无线充电的影响 |
|---|---|---|
| N（匝数） | 线圈绕制圈数 | 增大可提升磁场与感应电压，但增加内阻 |
| I（电流） | 流过线圈的电流 | 决定磁场强度，受导线载流能力限制 |
| μ（磁导率） | 介质导磁能力 | 铁氧体磁芯可显著增强 B |
| M（互感） | 两线圈磁链耦合能力 | 越大传输能力越强 |
| k（耦合系数） | 耦合紧密程度 | 决定效率与抗偏移能力 |
| f（频率） | 交变磁场频率 | 越高 dΦ/dt 越大，但损耗也增加 |
四、磁场分布基本概念
线圈周围的磁场并非均匀分布。对于圆形螺旋线圈，磁力线从线圈中心穿出，向外弯曲后从外侧返回，形成闭合回路。中心区域磁通密度最高，边缘逐渐减弱。当两个线圈同轴正对时，磁通主要穿过接收线圈，耦合最强；一旦发生横向偏移或倾斜，部分磁力线不再交链接收线圈，k 迅速下降。
此外，磁场在空间中分为“耦合区”和“漏磁区”。耦合区是两线圈之间有效传递能量的区域；漏磁区则包括线圈背面和侧向的杂散磁场，不仅浪费能量，还可能对周围金属物体产生涡流加热。因此实际设计中常在发射线圈背面贴铁氧体片，把磁通“推”向接收侧，减少背面漏磁。
五、典型场景与设计启示
以手机无线充电为例：发射线圈直径约 40 mm，接收线圈约 35 mm，间距 3～5 mm，工作频率约 110～205 kHz。此时 k 通常可达 0.5 以上，传输效率较高。若换成电动汽车无线充电，线圈直径可达 500 mm 以上，间距 100～200 mm，k 会降到 0.1～0.3，必须依靠谐振补偿网络和更高频率来维持功率传输。
设计启示：提升耦合系数 k 的常用手段包括——缩小传输距离、增大线圈直径、同轴对准、加入铁氧体磁芯、采用双线圈或阵列线圈结构。但增大线圈直径会带来体积和成本上升，需要综合权衡。
六、常见误区与复盘
- 误区一：磁场越强越好。磁场过强会导致磁芯饱和、涡流损耗增加，甚至干扰周边电子设备。应关注有效耦合磁通，而非单纯追求 B 值。
- 误区二：忽略频率对损耗的影响。提高频率虽能增大感应电压，但趋肤效应和邻近效应会使线圈交流电阻上升，需选用多股绞合线。
- 误区三：只看 k 不看 M。k 是归一化指标，实际传输能力还取决于 L₁、L₂ 和 M 的绝对值，设计时要结合具体功率等级。
- 误区四：忽视漏磁。漏磁不仅降低效率，还可能加热金属外壳。加磁芯屏蔽和合理布局是必要措施。
复盘来看，安培环路定理决定了“能产生多少磁场”，法拉第定律决定了“能感应出多少电压”，互感与耦合系数决定了“有多少磁通真正被利用”，而磁场分布则决定了“这些磁通在空间中的走向”。四者环环相扣，构成磁耦合无线充电的完整物理基础。掌握它们，才能在后续线圈参数设计、磁芯选型和补偿网络设计中做出正确判断。