手機的物理

手機的物理

年度

小組組成
2017
高雄
09級 葉家卉
10級 楊元喆 10級 楊長凡 10級 張宇暄
12/16
12/17 楊惠心
2017
台北
09級 葉家卉  09級 徐筱媜
04/08上午
04/08下午
04/09上午
2016

09級 葉家卉  09級 徐筱媜
12/10
12/11

2015

08級 周建宏 08級 葉宇婕
12/12 陳品妤
12/13 李長青 朱程治

2014

07級 林玲琪 07級 王品勛
12/13 翁林浩文
12/14

中山大學物理系 物理週演示實驗

大綱(Outlines):

 

 1.中英文簡介

 2.實驗原理

 3.演示項目

 4.相關影片連結

 5.歷年演示影片

 6.家中小實驗

 7.新鮮人創意實驗

 8.問題與討論

 9.相關英文字彙

10.參考資料

11.其他

 

 

1.中英文簡介(Introduction)

In 2007, Steve jobs, CEO of Apple Inc., invited us to a new generation of the cell phone. This kind of new phone, which named iPhone, were combined with the touch screen and cell phone. Don’t underestimate the changes iPhone brings to us. It not only has changed the market of the cell phone products, but the style of our life. The touch screen of iPhone works so smooth that gave us a new experience of controlling 3c devices; the sensors in it are so powerful that provided us new ways to control games or apps in our smart phones. Let’s us show youhow does our smartphone works, and may electromagnetic radiations affect our body or not.

2007年,Apple執行長賈伯斯推出新型手機iPhone,這是結合觸控螢幕和多種感應器的劃時代新型手機。智慧型手機的出現讓AppleSAMSUNG領導目前手機市場,並改變我們的生活模式。讓我們幫助你了解手機螢幕和感測器運作原理,和手機電磁波對人體到底有沒有影響。

   

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2.實驗原理(Physics Principles)

1.觸控螢幕原理(iPhone touch screen)

手機觸控螢幕上整齊排列上感應器和電容,當手指接觸面板時,由於人的皮膚可導電,等於在觸控面板上的電極與手指之間會形成一個新的電容,改變了觸控面板上XY軸線的電容值,而原來固定分佈感測器的之間的電場(電力線),便會因為部分電力線連接至手指皮膚而產生變化,感測器讀出數值後,再經由手機軟體判定正確的觸控位置,將資訊交給app和螢幕。

2.距離感測器  (Proximity Sensor)

接觸感應器可以自動偵測物體靠近話機,在通話過程中,接觸感應器會自動感應到手機被放到了靠近耳朵的位置,然後會關閉螢幕及其觸控功能。當手機離開耳朵到一定距離時,螢幕會再次亮起,觸控功能亦將再次啟動。

原理:

電容式距離感測器用於非接觸式檢測金屬物體和非金屬物體。感測器使用電容感測器和被檢測物體之間的差異。當物體處於從傳感器的敏感側的預設距離時,傳感器內的電子電路開始振盪。這種振盪的上升或下降時確定該改變傳感器的輸出狀態的閾值電路。

 

3.電子羅盤(磁場感測器)

地球就是一個大磁鐵,地球磁場的強度為0.3高斯(南美地區和南非)到0.6高斯(加拿大的磁北極附近)

磁場的N極與地理的北極相近,磁極相對與地理的兩極存在著一個約 11.5 度的夾角,利用磁阻效應以測出沿著單一軸的磁場的強度和方向,即可知道目前的方位。磁阻效應的反應是很快的,不會受到諸如線圈和振盪頻率的影響。

PS:磁阻效應是指材料之電阻隨著外加磁場的變化而改變的效應,其物理量的定義,是在有無磁場下的電阻差除上原先電阻,用以代表電阻變化率。

4.加速度感測器(也稱重力感測器)

手機內建MEMS製程的G-sensor,又稱為重力感測元件,其設計原理為牛頓第二定律,分別利用手機XYZ三個軸的線性速度變化,也就是用以感測速度和位移等資訊,且可以用來量測手機傾斜角度。因此,G-sensor能夠感測移動、傾斜、墜落等動作。

原理:

加速度計的感測原理。本文的加速度計設計如圖1 所示

包括質量塊(M)、阻尼(D) 及彈簧(K)。其操作原理可簡單地利用質量塊的位移來表示,亦即當外界有加速度時,質量塊會由於慣性力的作用而產生相對的位移量,透過材料特性或機電整合的技術將此位移量轉變為電阻或電容的變化量,最後搭配相對應的電路將訊號轉變為電壓作為輸出,因此一個基本的加速計應包含有機械結構及感測電路。

 

5.無線充電

磁感應〈magnetic induction:基本原理是在發送和接收端各裝置一個線圈,當發送端線圈連接電源,發送端線圈產生電流和磁場,因為電流方向不斷改變(交流電)磁場方向也不斷改變,這種磁通量的改變造成接收端線圈磁通量變化進而產生電流(Faraday’s law)為電池充電。然而磁感應技術的缺點就是有其物理極限,充電距離無法超過5公釐,且隨著距離的增加,電能損耗會變得很大。透過磁感應充電時,電子裝置會有過熱的問題,對於支援大功率產品會有安全上的疑慮。

磁共振〈magnetic resonance:磁共振原理不同於磁感應利用互相感應原理來交換電磁能,而是利用充電基座與待充物相同頻率的共振原理來高效傳輸能量。當發送端與接受端都以相同的頻率振動時,接受端就能接收到發送端所產生的電磁場,進而接收到這個傳遞過來的能量。

 

 

TYLT VÜ Wireless Charger

 

無線充電(磁共振)原理

https://www.youtube.com/watch?v=1OrPCNVSA4o

無線充電(磁共振)未來發展

https://www.youtube.com/watch?v=Gw6XtzEOlyI

 

6.手機電磁波與人體的安全探討

現代人手機不離身,就連睡覺時也不忘充分利用手機的鬧鐘功能,使生活更加便利。但你可能不知道,將手機放在大腦旁邊,長期下來,對人的腦部是非常不好的。根據我們的研究,業者對於手機電磁波的測試都是在正常強度訊號下去測試,結果是符合安全標準的。但在居家環境中,基地台所發出的訊號小部分被建築結構阻擋,訊號會比較微弱,這時手機電磁波就會增強發射功率。睡眠時電磁波會影響你的腦波,長期下來使你睡眠品質變差,甚至嚴重的話會有頭痛現象。

手機藉由發射電磁波傳輸訊號,所以在接電話或撥打電話的時候,手機會發射電磁波。而功率過強的電磁波可能對身體健康造成影響,根據財團法人台灣電子檢驗中心電磁波人體吸收的程度SAR安全值0.08 W/kg(6.79 W/m2)

電磁波短片:

https://www.youtube.com/watch?v=9ynDND9wV4I

在一般條件下使用手機都是符合安全值的,但是在電梯內使用手機,電磁波的發射功率會變大。因在電梯中因屏蔽效應的關係,阻擋了大部分電磁波傳遞,因此電梯中撥打手機勢必要使用更強的電磁波功率,極有可能超過安全標準。

以下我們選了3支手機分別是

Sxmsxng Xalaxy Xote

xPHONE 4

HxC xutterfly

測試在撥出與接收來電時,電磁波人體吸收的程度SAR安全值發現有趣的結 果

SAR

Sxmsxng

xPhone4

HxC

電梯內環境

電梯內撥出

0.05 W/kg

0.10 W/kg

撥不出

0.0030.01W/kg

電梯內撥入

0.09 W/kg

0.11 W/kg

0.04 W/kg

0.0030.04W/kg

實驗結果顯示,接聽電話的電磁波功率明顯大於撥打時的功率。其中xPhone4接聽或撥打都超出安全值Samsxng接聽時超出安全值。

在電梯內由於收訊不良,通常手機也只有12格收訊或最多3格,訊號通常都比一般環境下來的低,而這時如果在電梯裡撥打手機,由於訊號不良,因此手機會自動調節增強對訊號電磁波的接收,所以此時電磁波會增大,比起一般環境下大了數倍或數十倍,所以在收訊不良時撥打手機其實對我們自身安全是有害的

當手機訊號不良撥打手機時,手機會自動調節,增強對電磁波訊號的接收。以下以Sxmsxng xalaxy為例,測試在不同訊號下SAR

訊號格數

1

23

4

xalaxy xote(SAR)

0.21 W/kg

0.05 W/kg

0.03 W/kg

結論:當手機訊號不良時,強行撥打手機,會導致電磁波增強數倍,不僅對自身造成傷害也影響周圍的人。而超出SAR安全值會影響頭痛、頭暈、記憶力減退、不眠、不孕等症狀。

PS:

SAR值與電磁波功率單位換算

SAR=一顆頭的截面積*手機電磁波功率/頭的重量

SAR =(0.152)π * 手機電磁波功率 / 6kg

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3.演示項目(Demonstration of Experiments)

 

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4.相關影片連結(Video Link)

無線充電(磁共振)原理

https://www.youtube.com/watch?v=1OrPCNVSA4o

無線充電(磁共振)未來發展

https://www.youtube.com/watch?v=Gw6XtzEOlyI

電磁波短片

https://www.youtube.com/watch?v=9ynDND9wV4I

 

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5.歷年演示影片(Annual Demonstration Movies)

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6.家中小實驗(DIY Experiments)

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7.新鮮人創意實驗(Freshman's Innovation)

 

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8.問題與討論(Questions and discussions)

1.觸控螢幕多點觸控是怎麼設計的?

2.磁感應無線充電有什麼先天限制?

3.磁共振有什麼優點?

4.無線充電在未來電力交通工具有什麼潛力?

5.霍爾效應和磁場有什麼關係?

 

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9.相關英文字彙(English Vocabulary)

touch screen(n,)觸控螢幕

Proximity Sensor (n.)距離感測器

magnetic resonance(n.)磁共振

Halleffect sensor (n.) 霍爾效應感測元件

magnetic induction(n.)磁感應

Accelerometer(n.)線性加速器

electromagnetic radiation (n.)電磁波

Wireless Charging(n.)無線充電

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10.參考資料(References)

 

觸控螢幕

 

http://maciku.blogspot.com/2010/11/iphone.html

 

How the iPhone Works :

 

http://electronics.howstuffworks.com/iphone1.htm

 

無線充電

 

http://www.technical-direct.com/2013-05/

無線充電技術(Wireless Charging)擺脫麻煩充電器實現無限可能/

加速度感測器與電子羅盤的原理介紹

http://www.seraphim.com.tw/upfiles/c_supports01328152963.pdf

CMOS MEMS 微型加速度計

http://www.usat.org.tw/manager/phpFLY/myUploads/CMOS%20MEMS%20%E5%BE%AE%E5%9E%8B%E5%8A%A0%E9%80%9F%E5%BA%A6%E8%A8%88.pdf

電子羅盤

http://baike.baidu.com/view/1239157.htm

 

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11.其他(Others)

 

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