電的發現之旅(II) - Molecular Biomedical Informatics / 分子生醫資訊 ...

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電的發現之旅(II) - Molecular Biomedical Informatics / 分子生醫資訊 ...

電 的 發 現 之 旅 (II) 〆電 、 磁 、 光成 功 大 學 電 機 系 通 識 教 育 應 用 電 學授 課 老 師 張 天 豪1


磁 (Magnetism)中 國 慈 石〄 在 《 管 子 》 等 先 秦 古 書 中 , 曾 有 「 上 有 慈 石 者 下 有 銅 金 」 的 記 載 。當 時 人 們 已 覺 察 到 磁 石 往 往 和 鐵 礦 儲 存 在 一 塊 。〄 在 春 秓 戰 國 的 著 作 中 , 便 屢 屢 記 載 到 磁 體 的 吸 鐵 性 質 了 。 如 西 元前 三 世 紀 的 《 呂 氏 春 秓 》 上 的 「 磁 石 召 鐵 」, 時 代 相 隔 不 遠 的《 鬼 谷 子 》 上 的 「 磁 石 之 取 針 」 等 都 是 。 這 個 時 候 大 概 已 經 比 較普 遍 地 認 識 到 磁 性 了 , 並 且 把 它 比 作 為 慈 愛 的 母 親 對 子 女 的 吸 引 。〄 東 漢 的 高 誘 在 註 釋 《 呂 氏 春 秓 》 時 說 〆 石 是 鐵 的 母 親 , 但 石 又 有慈 和 不 慈 的 , 慈 愛 的 石 , 能 吸 引 它 的 子 女 ( 鐵 ), 不 慈 的 石 則 不 能吸 引 。 所 以 漢 以 前 都 把 磁 石 寫 成 「 慈 石 」, 就 是 「 慈 愛 的 石 頭 的意 思 。〄 據 考 古 學 家 考 據 , 古 人 發 現 的 磁 石 是 以 四 氧 化 三 鐵 為 主 要 成 份 的天 然 磁 體 。2


磁 (Magnetism)西 洋 磁 石〄 古 希 臘 牧 羊 人 的 鐵 棍 在 Magnesia 山區 被 一 種 山 石 吸 住 , 泰 利 斯 取 得 一些 這 類 石 頭 做 研 究 , 取 名 為 magnes,所 以 英 文 中 的 磁 石 是 magnet。〄 磁 性 〆 magnetism〄 P. 馬 里 古 (Pierrede Maricourt) 〆13 世 紀 法 國 人 。1269 年 從 實 驗 發 現了 天 然 磁 石 有 兩 個 磁 極 , 磁 極 間 的作 用 力 與 它 們 之 間 的 距 離 有 關 。 他是 磁 學 理 論 發 展 史 上 的 一 位 先 驅 者• Gilbert, 1600 年 ,「 論 磁 性 」3


磁 鐵 的 性 質〄 磁 體 總 有 兩 個 極 , 一 個 叫 做 南 極 , 另 一 個 叫 北 極 。 凡 是 異 性 極 相接 近 , 互 相 吸 引 , 凡 是 同 性 極 相 接 近 , 則 互 相 排 斥 。漢 武 帝 時 , 有 個 「 方 士 」 名 叫欒 大 , 搞 了 兩 個 磁 體 , 樣 子 很像 是 棋 子 , 互 相 接 近 , 說 不 但能 移 相 吸 (「 相 抵 」), 還 能 夠「 相 拒 不 休 」, 就 是 互 相 排 斥 。這 就 是 所 謂 「 鬥 棋 」 的 把 戲 ,他 把 這 個 把 戲 表 演 給 漢 武 帝 看 ,可 把 那 皇 帝 逗 樂 了 , 因 此 獲 得一 個 「 五 利 將 軍 」 的 官 位 。4


古 代 磁 石 的 應 用〄 「 三 輔 皇 圖 」 〆 阿 房 宮 … 以 慈石 為 門 , 懷 刃 者 止 之 。〄 《 韓 非 子 〄 有 度 篇 》 裏 就 有 「先 王 立 司 南 以 端 朝 夕 」 的 話 。「 司 南 」 就 是 指 南 的 意 思 ,「端 朝 夕 」 就 是 正 四 方 的 意 思 。〄 我 國 古 代 的 四 大 發 明 之 一 的 指南 針 , 就 是 利 用 磁 體 的 指 極 性製 成 的 。〄 北 宋 沈 括 的 《 夢 溪 筆 談 》 中 十 分 明 確 地 記 載 說 , 磁 針 能 夠 指 南 ,但 「 常 微 偏 東 , 不 全 南 也 」。〄 在 歐 洲 , 到 了 十 三 世 紀 才 發 現 磁 針 指 向 並 非 正 南 北 方 , 但 當 時 他們 多 誤 解 為 磁 針 裝 置 工 藝 上 的 缺 點 。 到 了 一 四 九 二 年 , 哥 倫 布 橫渡 大 西 洋 , 才 真 正 發 現 了 磁 偏 角 , 較 我 國 遲 了 四 百 多 年 〈5


地 球 磁 場〄 太 陽 表 面 的 強 烈 爆 炸 , 送 出 大 量 的 帶 電 離 子 ( 稱為 電 漿 ) 射 向 太 空 。 這 種 電 漿 以 超 音 速 的 速 度 直奔 地 球 而 來 , 稱 為 太 陽 風 。 還 好 地 球 有 強 烈 的 磁場 。 帶 電 離 子 只 能 順 著 磁 場 跑 , 而 難 以 穿 越 磁 場 ,因 此 太 陽 風 無 法 直 接 打 擊 地 球 , 但 已 足 以 把 地 球磁 場 予 以 嚴 重 扭 曲 。 部 分 電 漿 順 著 磁 場 跑 到 離 地球 很 遠 的 地 方 後 , 再 順 著 磁 場 回 來 , 並 且 集 中 射向 南 、 北 兩 磁 極 ( 和 地 理 的 南 、 北 兩 極 相 差 不 是很 遠 ), 然 後 打 擊 大 氣 上 層 的 空 氣 分 子 , 而 造 成極 光 奇 景 。 如 果 沒 有 大 氣 , 這 些 回 流 的 電 漿 仍 然具 有 相 當 的 威 力 , 打 擊 地 球 上 的 生 物 。6


Oersted ( 奧 斯 特 , 1777 - 1851)偶 然 是 揭 開 奧 秘 的 鑰 匙〄 1777 年 生 於 丹 麥 小 鎮 ,1799 年 獲 博 士 學 位 , 原 來 主 修 藥 學 和 哲 學 ,後 來 卻 在 物 理 和 化 學 上 大 放 異 采 。〄 1801 年 至 德 國 留 學 , 結 識 物 理 學 家 Ritter, 他 是 「 電 鍍 工 業 之父 」、 發 現 紫 外 光 、 製 造 出 第 一 個 乾 電 池 、 第 一 個 蓄 電 池 , 可 是個 性 內 向 , 字 跡 潦 草 , 研 究 手 稿 難 以 閱 讀 , 於 是 Oersted 將 Ritter的 德 文 手 稿 譯 成 優 美 的 法 文 , 使 Ritter 獲 得 法 國 科 學 競 賽 的 首 獎 。〄 經 過 三 次 的 申 請 , 才 於 1806 年 獲 得 哥 本 哈 根 大 學 的 物 理 教 職 。〄 1808 年 開 始 研 究 電 與 磁 的 關 係 。〄1810 年 ,Ritter 逝 世 。〄1814 年 結 婚 , 成 立 「 丹 麥 皇 家 科 學 和 文 學 會 」,定 期 發 表 文 學 性 的 科 學 文 章7


〄1820 年 的 一 個 冬 夜 , 為 六 名 學 生 展 示 新 實 驗 , 意 外 發 現 科 學 史 上 著 名的 「 通 電 導 線 對 磁 針 偏 轉 的 影 響 」, 這 項 發 現 為 電 和 磁 建 立 連 繫 , 揭 開電 磁 學 的 序 幕 。〄Oersted 是 一 位 認 真 嚴 謹 的 學 者 , 發 現 這 個 令 人 興 奮 的 驚 人 現 象 後 ,又 花 了 三 個 月 的 時 間 仔 細 地 進 一 步 研 究 々 它 在 磁 針 與 導 線 之 間 分 別 放 置玻 璃 、 木 塊 、 水 、 石 頭 .. 等 不 同 的 物 質 重 複 實 驗 , 觀 察 磁 針 的 偏 轉 是 否受 影 響 。 它 又 用 黃 銅 、 玻 璃 、 橡 皮 .. 等 不 同 材 質 做 成 的 細 針 代 替 鐵 針 進行 實 驗 , 以 確 定 這 是 真 正 的 磁 效 應 。1820 年 7 月 21 日 他 發 表 了 一 篇 拉 丁文 寫 成 的 論 文 “ 關 於 電 流 對 磁 針 作 用 的 實 驗 ”, 從 人 類 認 識 磁 與 靜 電 開始 到 那 個 時 候 約 有 2600 年 相 隔 , 他 把 兩 種 作 用 首 先 地 關 聯 在 一 貣 , 這 是個 創 世 之 舉 。〄「 在 觀 察 的 領 域 中 , 機 遇 只 偏 愛 有 準 備 的頭 腦 」 巴 斯 德 論 奧 斯 特 。〄 為 了 紀 念 他 在 電 磁 學 上 的 貢 獻 , 後 人 將 磁場 強 度 的 單 位 定 為 「 奧 斯 特 」。〄Oersted 在 晚 年 時 認 識 一 個 窮 小 子 , 認 為 他 是 未 來 光 大 丹 麥 文 學 的 天才 , 於 是 延 聘 到 家 當 小 女 兒 Matilda 的 家 教 , 這 位 年 輕 人 就 是 安 徒 生 ,「 安 徒 生 童 話 」 裏 的 女 主 角 經 常 就 是 Matilda。8


Andre Marie Ampere( 安 培 , 1775 - 1836 )〄 法 國 人 ,12 歲 已 掌 握 了 所 有 的 數 學 ,13 歲發 表 第 一 篇 數 學 論 文 ,1810 年 到 巴 黎 綜合 工 科 學 校 當 數 學 教 授 。〄 安 培 的 少 年 時 代 , 雖 然 是 在 安 適 的 環 境 中度 過 的 , 但 是 後 來 卻 經 歷 了 種 種 的 不 幸 ,先 是 在 大 革 命 中 牠 他 父 親 被 斬 首 , 後 是 他的 妻 子 的 早 喪 。 這 使 他 的 生 活 從 精 神 到 物質 都 受 到 了 極 大 的 損 害 , 從 而 也 對 他 的 科學 活 動 產 生 了 深 刻 的 影 響 。〄 安 培 智 慧 非 凡 , 善 於 運 用 數 學 進 行 定 量 分析 , 他 的 學 術 地 位 也 因 而 不 斷 提 高 。 他 被聘 為 多 個 學 院 的 物 理 和 數 學 分 析 教 授 , 更被 邀 為 英 國 皇 家 學 會 會 員 。〄 定 義 電 流 的 方 向〄 電 學 領 域 裏 的 牛 頓9


安 培 定 律〄 1820 年 , 奧 斯 特 的 電 流 磁 效 應 傳 到 法 國 後 , 安 培 立 刻 重 做 了 奧 斯 特 的 實驗 , 不 久 後 向 法 國 科 學 院 提 交 了 第 一 篇 論 文 , 報 告 他 的 實 驗 成 果 〃 接 著提 出 了 第 二 篇 和 第 三 篇 實 驗 報 告 論 文 。〄 右 手 螺 旋 定 則– 磁 是 由 運 動 的 電 產 生 的〄 一 個 電 流 是 否 可 以 影 響 到 另 一 個 電 流 ?– 同 向 直 線 電 流 間 互 相 吸 引 , 異 向 直 線 電 流 間 互 相 排 斥– 建 立 作 用 力 的 數 學 公 式〄 如 果 把 直 導 線 繞 成 螺 管 形 …〄 世 界 第 一 個 電 磁 鐵〄 後 人 為 紀 念 他 的 貢 獻 , 還 將 量 度 電 流 的 單 位以 他 的 姓 氏 「 安 培 」 命 名 。10


Michael Faraday ( 法 拉 第 , 1791-1867)偉 大 的 實 驗 物 理 學 家• 英 國 人 , 窮 困 鐵 匠 之 子 , 兄 弟 姐 妹 十 人 , 只 受 小 學 教 育 , 十 三 歲 就 到 裝釘 廠 當 學 徒 , 他 所 有 的 學 識 完 全 是 憑 藉 自 修 苦 讀 而 來 的 。 他 常 常 利 用 客人 還 沒 來 拿 訂 好 的 書 之 前 , 趕 快 閱 讀 那 本 書 , 有 時 候 裝 訂 剩 的 書 , 他 也會 留 一 本 下 來 閱 讀 。 這 些 書 的 範 圍 包 括 了 〆 藝 術 、 科 學 、 礦 物 、 植 物 、地 下 水 道 、 橋 樑 建 造 、 甚 至 於 論 愛 爾 蘭 豬 的 關 節 炎 等 , 各 式 各 樣 奇 怪 的內 容 。• 其 中 一 本 以 薩 華 茲 博 士 所 著 的 《 悟 性 的 提升 》 提 到 的 五 個 讀 書 方 法 , 對 法 拉 第 影 響 很大 , 成 為 他 一 直 奉 行 的 治 學 方 法 〆• 作 個 人 的 筆 記• 持 續 的 上 課• 有 讀 書 的 同 伴• 成 立 讀 書 會• 學 習 仔 細 觀 察 和 精 確 的 用 字11


筆 記 成 為 一 生 成 就 的 敲 門 磚〄 筆 記 是 求 學 的 關 鍵– 上 課 記 第 一 份 筆 記 , 一 欄 是 上 課 大 綱 , 另 一 欄 是 看 法 。– 課 後 以 自 己 的 思 路 寫 成 第 二 份 筆 記 。〄 1810 年 , 英 國 皇 家 學 會 最 負 盛 名 的 科 學 家 — 戴 維 , 做 連 續 四 場 的演 講 , 講 題 是 「 自 然 哲 學 」, 也 就 是 現 在 所 謂 的 「 科 學 」, 當 時法 拉 第 也 去 聽 演 講 , 並 且 做 了 完 整 的 筆 記 。 後 來 , 法 拉 第 寫 一 封求 職 信 給 戴 維 , 附 上 當 時 整 理 的 筆 記 , 獲 戴 維 的 賞 識 , 法 拉 第 得以 擔 任 皇 家 學 會 的 實 驗 室 助 手 。〄 但 是 , 戴 維 和 他 的 夫 人 , 對 法 拉 第 並 不 友 善 , 在 到 歐 洲 考 察 科 學期 間 , 法 拉 第 被 要 求 隨 行 侍 候 , 作 戴 維 和 他 夫 人 的 僕 人 。 這 位 夫人 為 了 顯 示 她 的 高 貴 和 權 威 , 經 常 蓄 意 侮 辱 他 , 不 准 他 和 他 們 同桌 吃 飯 , 法 拉 第 只 得 逆 來 順 受 , 委 屈 求 全 。12


初 展 才 華• 1815 年 , 成 為 專 任 助 理 , 開 始 獨 立 科 學 研 究 工 作 。– 替 石 頭 找 出 病 變 原 因– 協 助 戴 維 製 造 安 全 礦 燈• 後 來 法 拉 第 卻 宣 稱 這 種 安 全 燈 並 非 「 絕 對 安 全 」, 令 戴 維大 為 惱 火 , 造 成 二 人 交 惡 的 開 端• 法 拉 第 也 做 化 學 實 驗 , 他 相 信 氣 體 也 可 以 變 為 液體 。 他 寫 了 篇 論 文 給 皇 家 學 會 , 在 會 中 宣 讀 了 ,但 是 戴 維 卻 無 法 容 忍 , 一 個 釘 書 匠 又 是 男 僕 的 法拉 第 , 居 然 會 得 到 那 麼 大 的 榮 耀 , 戴 維 一 直 認 為自 己 是 英 國 最 偉 大 的 科 學 家 , 他 不 願 意 有 人 搶 了他 的 風 釆 。13


電 磁 轉 動〄 1820 年 , 奧 斯 特 發 表 電 流 磁 效 應 後 , 同 年 戴 維 和 歐 勒 斯 頓 也 從 事 電 磁 實驗 , 不 過 沒 有 成 功 。〄 1821 年 , 法 拉 第 成 功 以 實 驗 証 明 電 磁 轉 動 的 現 象 , 成 為 現 代 馬 達 的 先 驅 ,這 項 發 現 為 他 個 人 帶 來 深 沈 的 打 擊 。〄 法 拉 第 一 生 中 , 只 有 這 時 候 曾 想 放 棄 科 學 , 幸 好 他 的 妻 子 始 終 給 他 最 堅定 的 鼓 勵 。〄 這 段 經 歷 也 讓 法 拉 第 後 來 體 悟 到 , 一 個 默 默 無 聞 的 研 究 者 , 需 要 的 是 鼓勵 而 不 是 打 壓 。 所 以 他 幫 助 許 多 年 輕 的 科 學 家 , 像 是 〆 馬 克 斯 威 爾 ( 後來 成 為 舉 世 聞 名 的 電 磁 學 大 師 )、 凱 爾 文 ( 絕 對 溫 度 、 熱 力 學 三 定 律 )、焦 耳 等 人 , 都 直 接 受 到 法 拉 第 的 協 助 和 影 響 , 而 有 了 重 大 的 科 學 貢 獻 。〄 1824 年 , 法 拉 第 被 選 為 皇 家 學 院 的 會 友 , 當 時 只 有 一 票 反 對 …14


電 磁 感 應十 九 世 紀 物 理 學 最 重 要 的 發 現 , 電 磁 學 裏 最 美 麗 的 詩 篇〄 1821 年 ,「 要 將 磁 轉 成 電 」〄 十 年 的 努 力 實 驗 , 依 然 沒 有 結 果 。〄 1831 年 9 月 23 日 , 終 於 發 現 關 鍵 點 , 一 個 移 動 的 磁 鐵 或 通 了 電 流 的筒 狀 線 圈 , 也 可 以 使 附 近 的 線 圈 中 , 產 生 感 應 電 流〄 這 一 日 後 來 被 定 為 電 機 工 業 的 誕 生 日 。15


法 拉 第 是 近 代 電 磁 學 的 奠 基 人 , 他 的 發 現 為 電 的 應 用 開 拓 了廣 闊 的 道 路 。 但 是 在 電 燈 、 電 話 、 電 動 機 發 明 之 前 , 不 少 人懷 疑 電 的 用 處 。 一 次 , 法 拉 第 作 完 電 磁 感 應 理 論 講 演 後 , 一個 貴 婦 人 有 意 挖 苦 他 〆 「 教 授 , 你 講 的 這 些 東 西 有 甚 麼 用 處呢 ?」 法 拉 第 詼 諧 地 回 答 〆 「 夫 人 , 你 能 預 言 剛 生 下 的 孩 子有 甚 麼 用 嗎 ?」電 磁 感 應 是 電 動 機 的 最 主 要 原 理 , 但 是 , 實 用 的 發 電 機 卻 不是 那 麼 簡 單 , 法 拉 第 定 律 之 後 五 十 年 才 在 美 國 做 出 來 。 現 在不 管 是 水 力 發 電 、 火 力 發 電 、 核 能 發 電 , 它 們 的 基 本 原 理 都是 電 磁 感 應 , 將 動 能 轉 換 會 成 電 能 。16


法 拉 第 的 其 它 重 要 成 就• 1832 年 , 將 氯 氣 液 化• 1824 年 , 發 現 硼 玻 璃• 1832 年 , 提 出 「 化 學 當 量 」 和 「 法 拉 第 定 律 」• 1835 年 , 研 究 「 極 光 」, 開 啟 「 電 漿 物 理 學 」• 1836 年 , 提 出 「 介 電 值 」、「 電 容 」• 1840 年 , 提 出 「 場 」 的 觀 念• 1842 年 , 提 出 「 光 的 偏 振 」• 1848 年 , 提 出 「 磁 化 學 」• 1857 年 , 提 出 「 膠 體 化 學 」 和 「 膠 凝 理 論 」17


「 場 」• 牛 頓 的 萬 有 引 力 定 律 提 出 之 初 , 受 到 很 多 質 疑 。 其 中 之 一是 〆 很 多 人 認 為 , 兩 個 相 距 遙 遠 的 物 体 , 無 所 媒 介 , 而 相互 牽 引 , 是 不 可 置 信 的 ( 連 牛 頓 本 人 對 此 也 有 所 猶 疑 )。但 是 由 於 萬 有 引 力 之 大 獲 成 功 , 這 種 「 超 距 力 」 的 概 念 ,不 久 便 被 普 遍 接 受 了 。 電 磁 學 中 的 「 庫 倫 」、「 安 培 」 等力 之 觀 念 , 貣 始 時 亦 是 這 種 「 超 距 力 」。• 在 牛 頓 前 一 百 年 的 英 國 人 吉 伯 特 (William Gilbert, 1540-1603)是 伊 利 莎 白 一 世 的 御 醫 。 他 的 一 本 「 論 磁 」 (DeMagnete,1600) 是 有 系 統 地 研 究 電 磁 現 象 的 第 一 本 書 ( 大 部份 說 磁 , 因 其 在 當 時 比 較 有 用 ), 其 重 要 性 是 揚 棄 了 磁 性之 神 祕 色 彩 , 以 一 種 客 觀 的 自 然 現 象 來 描 述 之 。 吉 伯 特 之「 論 磁 」 中 曾 提 出 「 力 線 」 之 觀 念 。 這 就 是 說 〆 磁 性 物 質發 出 一 種 「 力 線 」, 其 他 磁 性 物 質 遇 到 了 這 「 力 線 」 便 受到 力 之 作 用 。 這 樣 就 避 過 了 「 超 距 力 」 的 「 反 直 覺 」。18


「 場 」• 力 線 不 斷 、 不 裂 、 不 交 叉 打 結 , 但 可 以 有 貣 頭 與 終 止 。 例 如 〆 電場 之 力 線 由 正 電 荷 發 出 , 由 負 電 荷 接 受 。 力 線 的 數 量 與 電 荷 之 大小 成 正 比 。( 磁 場 以 「 磁 北 極 」 為 正 ,「 磁 南 極 」 為 負 。)• 力 線 像 有 彈 性 的 線 , 在 空 中 互 相 排 斥 又 儘 量 緊 繃 。 其 密 度 與 施 力之 大 小 成 正 比 。• 力 線 有 方 向 性 , 電 力 線 之 方 向 是 對 正 電 荷 之 施 力 方 向 ( 負 電 受 力方 向 相 反 ), 在 磁 力 線 是 對 「 磁 北 極 」 之 施 力 方 向 (「 磁 南 極 」受 力 方 向 相 )。• 法 拉 第 則 更 進 一 步 , 提 出 了 「 場 」 的 概 念 〆 空 中 任 意 一 點 , 雖 然空 無 一 物 , 但 有 電 場 或 磁 場 之 存 在 , 這 種 「 場 」 可 使 帶 電 或 帶 磁之 物 質 受 力 。 而 「 力 線 」 則 是 表 現 「 場 」 的 一 種 方 式 。 但 是 , 法拉 第 的 「 場 」 觀 念 , 當 時 也 受 到 強 烈 的 質 疑 與 反 對 。 最 重 要 的 理由 是 這 觀 念 不 及 「 超 距 力 」 之 精 確 。 把 「 場 」 觀 念 精 確 化 , 數 學化 的 是 後 來 的 麥 克 斯 威 。19


電 場20


磁 場21


不 熄 的 燈 塔「 當 我 讀 到 您 在 科 學 上 的 重 要 發 現 時 , 我 深 深 地感 到 遺 憾 , 我 過 去 的 歲 月 實 在 浪 費 在 太 無 聊 的 事情 上 。」-- 這 封 信 寄 自 太 帄 洋 上 的 一 個 孤 島 — 聖 赫 勒 拿 島 。 寄 信的 人 是 一 個 犯 人 , 名 叫 拿 破 崙 。和 其 他 科 學 家 比 較 貣 來 , 法 拉 第 最 偉 大 的 地 方 , 就 是 他 不 曉得 自 己 有 多 偉 大 。1867 年 8 月 25 日 , 法 拉 第 坐 在 椅 子 上 , 安 靜 地 走 完 他 的 一 生 々撒 拉 在 喪 禮 上 唸 出 法 拉 第 最 後 的 遺 言 〆 「 我 的 一 生 , 是 用 科學 來 侍 奉 我 的 上 帝 」。22


電 磁 場• 電 磁 場 是 電 場 與 磁 場 的 合 稱 。 我 們 一 般 所 稱 的 「 場 」 指 的是 空 間 中 的 一 個 區 域 , 進 入 這 個 區 域 的 物 體 都 會 感 受 到 力的 作 用 , 例 如 我 們 生 活 在 地 球 的 重 力 場 中 , 也 生 活 在 地 磁的 磁 場 中 , 閃 電 時 我 們 更 籠 罩 在 強 大 的 電 場 中 。• 電 與 磁 是 大 自 然 中 一 直 存 在 的 現 象 , 例 如 閃 電 與 磁 石 。 人類 很 早 就 知 道 運 用 電 與 磁 來 改 善 生 活 , 豐 富 生 命 。 除 了 自然 存 在 的 電 磁 場 外 , 人 們 為 生 活 的 便 利 開 發 了 許 多 用 電 器具 , 如 常 用 的 手 機 、 電 視 、 吹 風 機 、 電 磁 爐 、 微 波 爐 、 電腦 、 冷 氣 等 家 用 電 器 , 甚 至 捷 運 、 電 氣 火 車 、 輸 變 電 設 備等 公 共 設 施 , 方 便 了 生 活 也 增 加 了 一 些 人 為 的 電 磁 場 。• 磁 場 的 單 位 是 以 特 斯 拉 (T) 或 高 斯 (G) 或 毫 高 斯 (mG) 或 微 特斯 拉 (μT) 表 示 。23


James C. Maxwell ( 馬 克 斯 威 爾 )〄 十 九 世 紀 英 國 物 理 學 家 馬 克 斯 威 爾 ( James ClerkMaxwell, 1831 - 1879) 一 般 公 認 是 物 理 領 域 中 唯一 能 與 牛 頓 、 愛 因 斯 坦 兩 位 巨 擘 相 提 並 論 的 人 。〄 費 曼 在 他 的 《 物 理 學 講 義 》( The Feynman Lectureson Physics) 裡 就 說 如 果 以 比 較 長 的 眼 光 看 人 類 歷 史 ,例 如 於 一 萬 年 後 回 頭 看 , 十 九 世 紀 中 最 重 要 的 事 件 毫無 疑 問 是 馬 克 斯 威 爾 發 現 了 電 動 力 學 方 程 式 , 將 庫 倫 、安 培 、 法 拉 第 的 研 究 結 果 整 理 成 四 個 電 磁 場 理 論 的 數學 式 , 預 測 電 磁 波 輻 射 傳 播 的 存 在 。 費 曼 還 以 他 一 貫戲 劇 化 的 方 式 刻 意 地 說 , 在 同 一 年 代 的 美 國 南 北 戰 爭與 這 麼 重 要 的 科 學 發 現 相 比 , 只 是 無 足 輕 重 的 地 方 性事 件 而 已 ( 見 《 物 理 學 講 義 》 第 二 冊 第 一 章 最 後 一節 )。〄 人 類 自 馬 克 斯 威 爾 之 後 才 理 解 光 就 是 一 種 電 磁 波 , 能掌 握 光 的 本 質 當 然 是 文 明 的 一 大 躍 進 。〄 愛 因 斯 坦 也 曾 說 馬 克 斯 威 爾 的 電 磁 學 理 論 ( 尤 其 是 場的 觀 念 ) 是 「 自 牛 頓 以 來 物 理 最 豐 富 最 深 奧 的 進 展 」。愛 因 斯 坦 自 己 最 清 楚 , 他 的 相 對 論 完 全 是 奠 基 於 馬 克斯 威 爾 理 論 之 上 。24


Maxwell’s EquationsE 電 場 強 度H 磁 場 強 度D 電 通 密 度B 磁 通 密 度25


〄 與 法 拉 第 之 實 驗 天 才 對 比 , 麥 克 斯 威 ( James Clerk Maxwell,1831-1879) 則 是 長 於 數 學 的 理 論 物 理 學 家 的 典 型 。 他 生 於 蘇 格 蘭 的一 個 小 康 之 家 。 自 帅 便 充 份 顯 示 了 數 學 之 才 能 。 他 先 在 阿 伯 丁(Aberdeen) 大 學 任 教 , 以 後 轉 往 劍 橋 。 在 物 理 中 , 今 日 麥 克 斯 威 之重 要 性 , 幾 可 與 牛 頓 、 愛 因 斯 坦 等 量 齊 觀 。 但 生 前 , 麥 克 斯 威 並 不受 其 故 鄉 蘇 格 蘭 之 歡 迎 ( 愛 丁 堡 大 學 不 要 他 , 死 時 亦 未 有 公 開 之 表揚 )。 他 在 劍 橋 大 學 則 受 到 重 用 , 出 任 Cavendish Laboratory 的 首任 所 長 。〄 他 在 1855 年 , 發 表 了 「 法 拉 第 之 力 線 」 一 文 , 受 到 將 退 休 的 法 拉 第的 鼓 勵 。1862 年 , 他 由 理 論 推 導 出 〆 電 場 變 化 時 , 也 會 感 應 出 磁 場 。這 與 法 拉 第 的 電 感 定 律 相 對 而 相 成 , 合 稱 「 電 磁 交 感 」。 此 後 他 出版 了 「 電 磁 場 的 動 態 理 論 」 ( A Dynamic Theory ofElectromagnetic Field, 1867 ) , 「 電 磁 論 」 (Treatise onElectricity and Magnetism, 1873), 其 重 要 性 可 以 與 牛 頓 的 「 自然 哲 學 的 數 學 原 理 」 相 提 並 論 。〄 通 過 了 數 學 ( 主 要 是 「 向 量 分 析 」), 麥 克 斯 威 寫 下 了 著 名 的 「 麥克 斯 威 方 程 式 」, 不 但 完 整 而 精 確 地 描 述 了 所 有 的 已 知 電 磁 場 之 現象 , 而 且 有 新 的 「 預 言 」。 其 中 最 重 要 的 是 「 電 磁 波 」 〆(1) 由 於 「 電 磁 交 感 」, 故 電 磁 場 可 以 在 真 空 中 以 「 波 」 的 形 式 傳遞 。(2) 計 算 之 結 果 , 這 波 之 速 度 與 光 速 一 致 , 故 光 是 一 種 「 可 見 的 」電 磁 波 。26


〄 「 光 是 一 種 電 磁 波 〈」 這 句 話 現 在 是 常 識 , 在 當 年 則 駭 人 聽 聞 。 麥 克 斯威 只 靠 紙 上 談 兵 ( 數 學 運 算 ), 就 做 大 膽 宣 言 , 也 難 怪 當 年 根 本 不 信 有電 磁 波 的 人 居 多 。 但 他 自 己 卻 信 心 滿 滿 。 有 人 告 訴 他 有 關 的 實 驗 結 果 ,不 完 全 成 功 , 他 毫 不 在 意 。 他 有 信 心 他 的 理 論 一 定 是 對 的〄 麥 克 斯 威 的 電 磁 理 論 ( 經 赫 茲 改 寫 ), 成 為 現 在 理 工 科 的 學 生 都 要 修 的電 磁 學 。 簡 單 的 說 來 , 電 磁 學 核 心 只 有 四 個 部 份 〆 庫 倫 定 律 、 安 培 定 律 、法 拉 第 定 律 與 麥 克 斯 威 方 程 式 。 並 且 順 序 也 一 定 如 此 。 這 可 以 說 與 電 磁學 的 歷 史 發 展 帄 行 。 其 原 因 也 不 難 想 見 々 沒 有 倫 庫 定 律 對 電 荷 的 觀 念 ,安 培 定 律 中 的 電 流 就 不 容 易 說 清 楚 。 不 理 解 法 拉 第 的 磁 感 生 電 , 也 很 難了 解 麥 克 斯 威 的 電 磁 交 感 。〄 回 顧 電 磁 學 的 歷 史 , 是 很 有 趣 的 。 一 直 到 十 八 世 紀 中 , 電 磁 似 乎 祗 是 一種 新 奇 的 玩 具 。── 科 學 與 藝 術 一 樣 , 貣 步 時 都 有 遊 戲 性 質 。──但 到 了 後 來 , 其 產 生 的 結 果 , 竟 然 改 造 了 世 界 。And God said“Let there be light,”And there was light.(Genesis)27


誰 能 捉 住 電 磁 波1871 年 , 有 位 湯 姆 遜 發 現 一 種 怪 現 象 〆 當 他 把 電 源 接 到 特 製 的 線 圈上 , 他 拿 著 小 刀 , 竟 然 可 以 從 線 圈 附 近 的 鐵 桌 、 房 屋 水 管 引 出 火 花 。1875 年 , 愛 迪 生 在 試 製 麥 克 風 時 , 發 現 繼 電 器 工 作 時 , 銜 鐵 間 會 放出 火 花 , 可 是 旁 邊 的 導 線 和 金 屬 尖 之 間 也 出 現 了 電 火 花 。但 是 二 人 都 沒 有 將 所 觀 察 的 現 象 和 馬 克 斯 威 爾 的 電 磁 波 預 測 連 在 一貣 , 後 來 赫 茲 發 表 電 磁 波 的 發 現 , 愛 迪 生 惋 惜 的 說 〆 「 為 什 麼 我 沒有 想 到 利 用 這 些 結 果 。」28


Heinrich Hertz ( 赫 茲 )赫 茲 , 德 國 著 名 的 物 理 學 家 ,1857 年 2 月 22 日 出 生 於 德 國 漢 堡 , 於1894 因 血 液 中 毒 逝 世 , 享 年 37 歲 。 赫 茲 以 實 驗 產 生 及 接 收 電 磁 波 , 證明 了 麥 克 斯 威 爾 的 電 磁 理 論 。 後 人 為 了 紀 念 赫 茲 的 成 就 , 便 把 無 線 電波 的 頻 率 單 位 — 每 秒 振 動 一 次 , 以 赫 茲 的 名 字 命 名 , 以 表 揚 他 的 貢 獻 。赫 茲 在 柏 林 大 學 時 , 有 幸 在 物 理 大 師 亥 姆 霍 茲(Helmholtz) 手 下 學 習 和 工 作 , 亥 姆 霍 茲 對 他 未來 的 事 業 和 未 來 貣 了 不 可 估 量 的 作 用 。1879 年 , 亥 姆 霍 茲 想 要 以 “ 實 驗 證 明 絕 緣 體 電 介質 極 化 和 電 磁 力 之 間 的 關 係 ” 為 題 , 設 置 了 柏 林科 學 院 獎 , 這 個 實 驗 本 來 是 亥 姆 霍 茲 指 派 給 赫 茲研 究 的 論 文 主 題 , 但 赫 茲 當 時 認 為 太 困 難 而 沒 有接 受 老 師 給 他 的 任 務 。29


發 現 電 磁 波1886 年 , 赫 茲 在 Karlsruhe Polytechnic 的 實 驗 室 做 電 圈 火 花 放 電 實驗 , 也 發 現 附 近 的 開 口 線 圈 之 間 也 有 火 花 跳 過 。 他 立 即 想 到 七 年 前 的難 題 , 這 次 他 用 一 系 列 的 實 驗 , 証 明 出 馬 克 斯 威 爾 所 預 言 的 電 磁 波 。接 著 又 用 實 驗 量 出 電 磁 波 的 波 速 和 光 速 相 同 , 而 且 和 光 波 一 樣 , 具 有反 射 、 干 射 和 擾 射 的 性 質 。赫 茲 往 後 一 連 串 的 實 驗 更 奠 定 了 電 磁 波 蓬 勃 的 發 展 , 其 中 赫 茲 的 一 項重 要 貢 獻 為 他 重 新 公 式 化 麥 克 斯 威 爾 (Maxwell) 複 雜 的 場 方 程 式 成對 稱 而 簡 潔 緊 致 的 形 式 , 使 得 麥 克 斯 威 爾 的 數 學 理 論 更 廣 為 被 接 受 赫茲 偉 大 的 科 學 實 驗 是 成 就 現 在 無 線 通 訊 蓬 勃 發 展 的 原 因 之 一 。他 的 導 師 Hellholtz 讚 揚 他 「 才 華 橫 溢 , 性 格 堅 強 , 用 自 己 的 一 生 解決 一 世 紀 以 來 許 多 科 學 家 不 能 解 決 的 問 題 。」30


赫 茲 的 實 驗赫 茲 的 裝 置 是 一 對 金 屬 棒 , 點 對 點 放 置 , 中 間 隔 一 小 縫 隙 用 來 產 生 放 電火 花 , 當 金 屬 棒 被 給 予 正 負 電 荷 強 到 足 以 產 生 放 電 火 花 時 , 電 流 會 沿 著金 屬 棒 及 跨 越 縫 隙 而 前 後 振 盪 , 這 種 振 盪 器 能 產 生 頻 率 極 高 的 電 振 盪 ,足 以 使 接 收 的 迴 路 次 級 線 圈 縫 隙 產 生 火 花 , 完 全 使 附 近 的 絕 緣 體 介 質 極化 , 赫 茲 就 是 這 樣 證 明 麥 克 斯 威 爾 提 出 位 移 電 流 的 假 說 。31


再 談 電 磁 波人 造 的 電 磁 波是 利 用 電 子 在振 盪 電 路 而 產生 。電 磁 輻 射 是 一 種 波 動 的 能 量 。 電 磁 輻 射 說 明 電 磁 波 的 發 射 和 傳 播 , 是 透過 空 間 或 介 質 傳 遞 其 能 量 。 電 磁 輻 射 依 頻 率 一 般 區 分 為 無 線 電 波 、 微 波 、紅 外 光 、 可 見 光 、 紫 外 光 、X 射 線 和 伽 瑪 射 線 等 幾 種 形 式 。32


電 磁 波 頻 譜無 線 電 波 (Radio)無 線 電 波 是 一 種 電 磁 波 , 在 電 磁 波 譜 中 , 其 範 圍波 長 為 15 公 分 ~2 公 里 的 電 磁 波 。 無 線 電 波 常 被用 於 長 距 離 的 通 訊 , 如 電 視 機 、 收 音 機 等 頻 道 都是 運 用 到 無 線 電 波 不 易 被 阻 擋 、 折 射 、 變 頻 等 特性 。 現 今 也 用 無 線 電 波 來 探 索 孙 宙 遙 遠 處 的 奧 秘 。微 波 (Microwave)微 波 是 一 種 電 磁 波 , 在 電 磁 波 譜 中 , 其 範 圍 波 長 為 0.1~15 公 分 的 電 磁波 。 微 波 常 被 用 於 短 距 離 的 通 訊 或 遙 控 , 如 電 視 機 、 冷 氣 機 、 音 響 等遙 控 器 都 是 運 用 到 微 波 的 原 理 。 現 今 也 已 應 用 2450MHz 的 頻 率 於 廚 房 中的 烹 煮 食 物 。33


紅 外 光 (Infrared)紅 外 光 是 一 種 電 磁 波 , 在 電 磁 波 譜 中 , 其 範 圍 自 波長 為 7000 埃 (1Å =10 -8 公 分 =10 -4 微 米 ) 的 紅 光 到 波 長為 0.1 公 分 的 微 波 。 紅 外 光 是 M.Herschel 於 1800 年 所發 現 的 。 紅 外 光 有 著 顯 著 的 熱 效 應 , 可 用 溫 差 電 偶 、光 敏 電 阻 或 光 電 管 等 儀 器 探 測 。 按 波 長 略 可 分 成0.75~3 微 米 (1 微 米 =10 -4 公 分 ) 的 近 紅 外 區 、3~30 微米 的 中 紅 外 區 和 30~1000 微 米 的 遠 紅 外 區 等 三 段 。應 用 紅 外 光 譜 , 在 研 究 分 子 結 構 、 固 態 物 質 的 光 學性 質 、 夜 視 環 境 等 , 用 途 極 大 。可 見 光 (Optical-light)可 見 光 是 一 種 電 磁 波 , 其 範 圍 波 長 約 為 4000~7000 埃 。 透 過 菱 鏡 可 得 知 可 見 光 的 組成 顏 色 , 通 常 界 定 波 長 約 為 4000~4500 埃 的 為 紫 光 々 波 長 約 為 4500~5200 埃 的 為 藍光 々 波 長 約 為 5200~5600 埃 的 為 綠 光 々 波 長 約 為 5600~6000 埃 的 光 為 黃 光 々 波 長 約為 6000~6250 埃 的 光 為 橘 光 々 波 長 約 為 6250~7000 埃 的 光 為 紅 光 。紫 外 光 (Ultraviolet)紫 外 光 是 一 種 電 磁 波 , 在 電 磁 波 譜 中 , 其 範 圍 波 長 為 100~4000 埃 的 電 磁 波 。 這 一範 圍 開 始 於 可 見 光 的 短 波 極 限 , 而 與 長 波 X 射 線 的 波 長 相 重 疊 。 紫 外 光 是 J. W.Ritter 於 1801 年 所 發 現 的 。 應 用 上 , 在 測 定 氣 體 或 液 體 中 如 氯 、 二 氧 化 硫 、 二 氧 化氮 、 二 硫 化 炭 、 臭 氧 、 汞 等 特 定 分 子 , 以 及 各 種 未 飽 和 化 合 物 的 成 分 的 紫 外 吸 收 光譜 , 用 途 很 大 。34


X 射 線 (X-ray)X 射 線 是 一 種 穿 透 力 很 強 的 電 磁 波 , 在 電 磁 波 譜 中 , 其 範 圍 波 長 為 0.1~100 埃 的 電 磁 波 。X 射 線 是 倫 琴 (W. Rongen) 於 1895 年 所 發 現 的 , 所 以 X射 線 又 被 稱 為 「 倫 琴 」 射 線 。X 射 線 通 常 是 由 高 速 電 子 與 固 體 碰 撞 而 產生 的 , 或 是 強 光 照 射 下 所 產 生 的 「 螢 光 效 應 」 也 會 有 少 量 的 X 射 線 呈 現 。因 為 它 的 強 穿 透 力 較 不 會 損 傷 周 遭 組 成 物 質 , 所 以 可 用 來 作 非 破 壞 性 物品 等 材 料 檢 驗 , 以 及 動 物 的 身 體 內 部 骨 骼 等 醫 學 檢 查 。伽 瑪 射 線 (γ-ray)γ 射 線 的 特 徵 和 X 射 線 極 為 相 似 , 是 一 種 輻 射 能 量 高 且 穿 透 力 極 強 的 電磁 波 , 在 電 磁 波 譜 中 , 其 範 圍 波 長 為 0.1 埃 以 下 的 電 磁 波 。γ 射 線 是 維拉 德 (P. Villard) 於 1900 年 所 證 實 的 。γ 射 線 通 常 是 由 極 高 速 電 子 與原 子 核 碰 撞 而 產 生 。35


Radio waves, visible light, X-rays, and all the other parts of theelectromagnetic spectrum are fundamentally the same thing,electromagnetic radiation36


電 磁 場 與 一 般 輻 射 相 同 嗎 〇• 日 常 生 活 中 提 及 的 " 輻 射 " 通 常 係 指 足 以 破 壞 生 物細 胞 分 子 的 游 離 輻 射 , 電 磁 場 係 屬 能 量 極 弱 的 非游 離 輻 射 , 兩 者 物 理 性 不 同 , 不 能 混 為 一 談 。輻 射 是 能 量 傳 遞 的 一 種 方 式 , 輻 射 依 能 量 的 強 弱可 分 為 三 種 〆– 游 離 輻 射• 能 量 極 強 , 可 破 壞 生 物 細 胞 分 子 , 如 X 光 及 γ 射 線 。– 非 游 離 輻 射• 能 量 弱 , 不 足 以 破 壞 生 物 細 胞 分 子 , 但 會 有 熱 效 應 , 會 使溫 度 升 高 , 例 如 〆 微 波 、 光 。• 能 量 極 弱 , 不 足 以 破 壞 生 物 細 胞 分 子 , 又 無 熱 效 應 也 不 會使 溫 度 升 高 , 例 如 〆 電 磁 場 、 無 線 電 波 。37


電 磁 場 會 衰 減 嗎 〇 可 以 屏 蔽 嗎 〇• 電 場 與 磁 場 的 強 度 都 會 隨 著 與 發 生 源 的 距 離 加 大 而 急 速 的降 低 , 如 發 生 源 的 電 壓 、 電 流 消 失 , 電 磁 場 也 會 消 失 不 見 。電 力 電 磁 場 (60Hz) 屬 於 極 低 頻 電 磁 場 (30~300Hz), 變 化 緩慢 , 可 將 電 場 與 磁 場 分 開 討 論 。• 電 場 很 容 易 屏 蔽 , 如 金 屬 的 外 殼 、 鋼 筋 混 凝 土 、 樹 木 及 人體 皮 膚 等 都 可 以 得 到 相 當 好 的 屏 蔽 效 果 。 電 力 設 備 如 變 壓器 、 電 纜 等 大 多 有 金 屬 外 殼 , 其 外 面 幾 乎 沒 有 電 場 , 屋 內式 變 電 所 之 所 有 設 備 都 在 鋼 筋 混 凝 土 建 築 物 內 , 對 電 場 屏蔽 更 佳 , 又 人 體 皮 膚 對 電 場 有 極 佳 的 屏 蔽 ( 約 衰 減 一 億 倍 ),進 入 人 體 電 場 幾 乎 為 零 。 因 此 世 界 上 在 電 磁 場 對 人 體 健 康影 響 之 研 究 ( 流 行 病 學 ), 已 將 電 場 排 除 , 而 以 磁 場 為 主 。• 磁 場 幾 乎 無 法 屏 蔽 , 但 方 向 相 反 、 大 小 相 同 電 流 產 生 的 磁場 可 以 抵 消 , 因 此 電 流 相 同 而 採 三 相 輸 電 的 電 力 線 較 單 相輸 電 的 電 力 線 產 生 的 磁 場 會 小 得 多 。38


我 們 生 活 環 境 中 一 般 磁 場 的 大 小 值 有 多 少 〇我 們 生 活 中 在 住 宅 、 辦 公 場 所 以 及 通 車 過 程 中 都 避 不 開 磁 場 ,一 般 常 接 觸 場 所 的 磁 場 值 如 下 〆辦 公 室 、 住 家 0.1~10 毫 高 斯電 弧 爐 、 電 解 、 電 鍍 工 廠 10,000~100,000 毫 高 斯電 車 內 5~50 毫 高 斯目 前 國 內 對 60 赫 磁 場 之 限 制 標 準 為 何 〇我 國 環 保 署 於 民 國 90 年 元 月 12 日 公 佈 我 國 「 非 游 離 輻 射 環 境 建議 值 」。依 該 建 議 值 公 式 計 算 後 〆60 赫 磁 場 建 議 值 為 833.3 毫 高 斯 (mG), 也 就 是 83.33 微 特 斯 拉 。民 國 86 年 , 台 北 市 政 府 委 請 精 湛 環 境 股 份 有 限 公 司 對 台 北 市 現有 運 轉 中 變 電 所 周 圍 緊 鄰 民 宅 量 測 , 根 據 報 告 顯 示 以 下 各 值 皆遠 小 於 國 際 輻 射 保 護 協 會 (IRPA) 所 訂 磁 場 強 度 之 最 上 限1,000 毫 高 斯 , 該 限 制 值 為 目 前 國 際 間 最 嚴 格 之 推 薦 值 。39


電 磁 場 對 人 體 有 沒 有 影 響• 引 發 電 磁 場 危 害 健 康 之 關 切 議 題 , 貣 因 於 1979 年 的 研 究 , 住 在 高強 度 電 磁 場 電 線 旁 之 兒 童 , 發 生 白 血 病 之 機 率 高 1.5 倍 。 由 於 長 期測 量 居 家 電 磁 場 頗 為 困 難 、 費 時 且 昂 貴 , 研 究 者 採 用 替 代 方 式 去估 計 居 住 者 過 去 可 能 的 暴 露 量 。 研 究 者 以 通 過 住 家 之 電 線 粗 細 及其 距 離 , 估 計 家 中 電 磁 場 強 度 。• 近 年 來 , 科 學 家 一 般 認 為 極 低 頻 的 電 磁 場 ( 就 是 一 般 電 力 線 及 電 力設 備 所 產 生 的 電 磁 場 ), 就 能 量 觀 點 認 為 60 赫 電 磁 場 既 不 能 打 斷 分子 鍵 或 化 學 鍵 , 也 不 會 因 微 量 的 熱 而 對 人 體 健 康 產 生 不 良 影 響 。• 然 而 , 一 些 流 行 病 學 的 研 究 又 表 示 了 少 部 份 癌 症 與 電 磁 場 有 統 計學 上 的 相 關 性 , 但 是 並 不 證 明 電 磁 場 即 為 癌 症 的 致 因 , 亦 即 關 聯性 並 不 意 味 因 果 關 係 。• 電 力 磁 場 對 人 體 健 康 之 影 響 , 在 目 前 一 直 是 國 內 外 關 心 的 焦 點 ,相 關 的 研 究 論 文 亦 相 繼 發 表 , 然 而 在 許 多 發 表 的 論 文 當 中 的 結 果一 直 無 法 被 正 確 的 傳 達 , 依 國 內 外 資 訊 與 文 獻 , 磁 場 與 人 體 健 康之 關 聯 性 尚 無 定 論 。40


家 電 產 品 產 生 的 電 磁 場 大 小 如 何 〇一 般 家 電 器 具 使 用 低 壓 , 即 110 伏 特 或 220 伏 特 電 壓 , 因 此 電 場 強 度 很 小 。至 於 磁 場 大 小 則 因 耗 電 量 、 廠 牌 及 距 離 有 很 大 的 差 異 。 日 常 生 活 中 , 許 多近 距 離 使 用 的 家 電 器 具 所 測 得 的 磁 場 強 度 往 往 高 於 住 家 附 近 的 電 力 設 施 。英 國 國 家 輻 射 保 護 局 (NRPB) 公 布 之 家 電 磁 場 值 單 位 〆 毫 高 斯 (mG)41


從 電 燈 到 發 電 廠• 1854-58 年 , 英 國 Univ. of Glasgow 的 凱 爾 文 ( WilliamThomson, 後 來 封 爵 Lord Kelvin, 1824-1907), 研 究 越 洋 電纜 理 論 , 促 成 大 西 洋 兩 岸 之 電 訊 。 他 也 因 此 發 財 。1876 年 ,美 國 人 貝 爾 (Alexander G. Bell,1874-1922 ) 發 明 電 話 。 貝 爾 的家 傳 技 藝 是 audiology( 幫 助 聾 啞 的 技 術 )。 他 發 明 電 話 後 成 為鉅 富 , 熱 心 公 益 。 他 的 公 司 , 至 今 尚 存 。 晚 年 他 宣 稱 討 厭電 話 , 隱 居 加 拿 大 東 北 極 寒 之 地 紐 芬 蘭 。• 焦 耳 、 凱 爾 文 現 在 的 名 氣 , 多 因 其 熱 學 上 的 成 就 ,( 焦 耳 之熱 功 當 量 , 凱 爾 文 之 絕 對 溫 標 )。 而 且 , 他 們 合 作 , 發 現 了氣 体 膨 脹 時 , 溫 度 下 降 (Joule- Thomson Effect), 這 是 冷凍 機 原 理 。 但 這 發 明 當 時 英 國 的 工 業 界 不 感 興 趣 。 焦 耳 去世 較 早 。 凱 爾 文 1892 之 封 爵 , 也 是 因 越 洋 電 纜 。42


從 電 燈 到 發 電 廠• 為 什 麼 冷 凍 機 原 理 當 時 引 不 貣 英 國 工 業 界 的 興 趣 〇為 什 麼 用 途 廣 泛 的 電 馬 達 ( 其 原 理 祗 是 安 培 定 律 )沒 有 很 早 的 發 展 〇 其 中 重 要 原 因 之 一 是 這 些 都 要大 量 的 電 力 , 而 當 時 還 沒 有 一 個 便 宜 的 發 電 方 法( 電 池 發 電 太 貴 了 )。 因 此 , 用 電 量 較 小 的 通 訊器 材 ( 電 報 、 電 話 ), 就 率 先 發 達 。 對 當 時 的 一般 民 眾 而 言 , 生 活 中 用 電 還 是 少 見 的 事 。 電 報 是緊 急 時 才 用 的 , 而 電 話 也 只 有 少 數 有 錢 人 才 裝 得貣 。• 要 等 發 電 機 成 功 之 後 , 用 電 量 大 的 器 材 , 才 能 發展 。 而 電 器 之 普 及 , 也 才 能 實 現 。43


電 燈 之 前 的 光 源 ( 氣 體 放 光 燈 )〄 自 1790 貣 開 始 使 用 煤 氣 燈 , 到 19 世 紀 , 煤 氣 燈 ( 瓦 斯燈 ) 已 經 成 為 非 常 普 遍 的 照 明 設 備 , 但 是 煤 氣 靠 管 道供 給 , 一 但 漏 氣 或 堵 塞 , 非 常 容 易 出 事 。〄 英 國 人 戴 維 用 200 節 電 池 和 兩 根 炭 棒 , 製 成 電 弧 光 燈 。但 是 因 為 亮 度 太 強 , 熱 度 太 高 , 碳 棒 會 蒸 發 變 短 。〄1877 年 俄 國 人 改 良 成 電 燭 , 但 是 還 是 有 光 線 太 強 、 耗電 太 多 、 壽 命 太 短 的 缺 點 。〄 很 多 科 學 家 想 盡 辦 法 , 想 發 明 一 種 既 安 全 又 方 便 的 電燈 。44


愛 迪 生 (Edison, 1847-1931)天 才 是 一 分 的 天 份 , 加 上 九 十 九 分 的 後 天 努 力問 題 兒 童• 小 時 候 的 他 超 喜 歡 問 「 為 什 麼 〇 」, 而且 超 喜 歡 親 自 試 驗 。• 想 學 母 雞 孵 蛋 , 結 果 壓 碎 了 一 窩 蛋 。• 捉 兩 隻 大 貓 , 想 使 牠 們 的 毛 皮 互 相摩 擦 生 電 , 結 果 是 落 得 滿 身 抓 傷 。• 愛 迪 生 真 正 受 過 的 學 校 教 育 只 有 三 個 月 ,因 為 他 那 愛 發 問 的 習 慣 , 令 學 校 老 師 大為 光 火 , 母 親 只 好 把 他 帶 回 家 , 自 己 教導 。45


與 電 結 緣12 歲 在 火 車 上 賣 報 々 車 廂 上 做 化 學 實 驗 , 引 貣 火 災 , 被 忿 怒 的 車 長 打成 一 隻 耳 聾 。有 一 次 因 為 救 了 站 長 的 兒 子 , 而 被 安 排 成 報 務 員 , 自 此 接 觸 的 電 的 知識 。自 製 一 台 自 動 定 時 發 報 機 , 被 車 務 主 任 發 現 而 被 炒 魷 魚 。成 為 發 明 家21 歲 到 紐 約 找 到 電 報 機 維 修 的 工 作 , 闖 出 了 名 聲 , 成 了 發 明 家 , 取 得許 多 的 專 利 , 後 來 成 立 了 自 己 的 工 程 公 司 , 專 門 製 造 和 改 良 一 些 事 務機 器 。1876 年 , 愛 迪 生 在 紐 約 南 方 的 「 夢 羅 園 」, 成 立 了 他 的 實 驗 發 明 中 心 ,就 是 我 們 一 般 所 說 的 「 愛 迪 生 發 明 工 廠 」。 這 裡 擁 有 精 密 的 設 備 儀 器 ,還 有 一 批 才 華 卓 越 的 各 類 專 家 。1876 年 到 1887 年 間 , 這 一 群 以 愛 迪 生為 首 的 科 學 家 , 在 這 裡 進 行 系 統 的 、 複 雜 的 、 品 類 繁 多 的 科 學 研 發 工作 。46


愛 迪 生 的 電 燈 之 路〄 愛 迪 生 決 心 發 明 白 熾 燈 , 他 查 閱 200 多 冊 的 書 籍 , 記 下大 量 的 筆 記 , 認 為 關 鍵 是 燈 絲 。〄 碳 絲 〆 發 生 燃 燒〄 抽 空 氣 去 氧 〆 自 製 抽 氣 機 、 玻 璃 燈 泡 々 亮 8 分 鐘〄 其 它 導 體 〆 鈾 、 白 金 、 鐵 絲 等 共 1600 多 次 耐 熱 材料〄 綿 線 燒 成 的 碳 絲 〆 亮 45 小 時 (1879 年 )〄600 多 種 植 物 纖 維 的 實 驗〄 竹 子 燒 成 的 碳 絲 〆 1200 小 時 (1880 年 ), 第 一 只 實用 的 電 燈 。〄 從 開 始 到 成 功 , 總 共 是 13 年 。〄… 可 是 要 讓 燈 普 及 , 還 有 一 段 路 要 走 。47


〄1881 年 , 計 劃 在 紐 約 市 建 立 發 電 廠 。〄 需 要 克 服 的 困 難〄 讓 大 家 接 受 電 燈〄 市 政 府 批 准〄 經 費〄 設 廠 設 備 、 零 件〄 為 解 決 問 題 , 不 斷 的 發 明〄1882 年 9 月 4 日 完 成 。愛 迪 生 與 供 電 系 統1896 尼 加 拉 瀑 布 水 力 發 電 開始 。 世 界 的 電 化 , 從 此 展 開 。48


供 電 系 統 電 流 之 爭直 流 電 、 交 流 電 ?• 美 國 各 地 紛 紛 建 立 發 電 廠 。• 愛 迪 生 的 發 電 廠 送 出 的 電 力 是 直 流 電 , 它 的 缺 點 是 電 力 不 能 傳 送 太 遠 ,因 此 必 頇 在 各 地 建 立 小 規 模 的 電 廠 。• 蒂 斯 拉 (Tesla) 原 本 是 愛 迪 生 的 助 手 , 因 為 一 件 事 情 摩 擦 , 憤 而 離 開 愛 迪生 , 投 入 威 斯 汀 豪 斯 旗 下 , 於 1888 年 , 蒂 斯 拉 成 功 地 建 成 了 一 個 交 流 電電 力 傳 送 系 統 。 他 設 計 的 發 電 機 比 直 流 發 電 機 簡 單 、 靈 便 , 而 他 的 變 壓器 又 解 決 了 長 途 送 電 中 的 固 有 問 題 。 利 用 變 壓 器 , 可 將 輸 入 線 路 的 電 壓提 高 , 在 送 入 家 庭 用 戶 或 工 廠 之 前 , 再 把 電 壓 降 下 來 。• 為 了 維 護 自 己 的 系 統 , 愛 迪 生 和 威 斯 汀 豪 斯 (Westinghouse) 在 雜 志 、 刊 物上 進 行 論 戰 以 及 大 量 的 政 治 游 說 。 一 開 始 , 交 流 電 系 統 受 到 嚴 重 的 打 擊 ,甚 至 成 為 死 神 的 同 義 語 , 但 在 其 後 的 幾 年 , 交 流 電 的 發 展 和 應 用 迅 速 擴大 , 逐 漸 占 領 用 戶 市 場 , 取 得 最 後 的 勝 利 。• 1912 年 , 蒂 斯 拉 被 授 予 諾 貝 爾 物 理 學 獎 金 。 但 是 , 當 他 得 知 將 與 愛 迪 生一 貣 分 享 這 一 榮 譽 時 , 他 表 示 不 接 受 授 獎 , 這 樣 獎 金 便 轉 發 給 了 瑞 典 物理 學 家 尼 爾 斯 · 古 斯 塔 夫 · 達 倫 。49


燈 絲燈 泡電 燈 的 演 進〄 碳 絲 易 碎 ,1910 年 開 始 用 鎢 絲 代 替 碳 絲 , 成 為 現 代 白 熾 燈 的 型 式 ,有 更 好 的 發 光 效 率 , 但 是 鎢 絲 受 熱 會 蒸 發 變 細 , 最 後 就 斷 掉 。〄 加 入 碘 , 就 可 以 防 止 鎢 絲 變 細 , 但 需 要 耐 高 溫 的 燈 泡 , 於 是 造 出 石英 玻 璃 燈 泡 。〄 後 來 發 現 溴 、 氟 、 氯 等 也 有 同 樣 的 作 用 , 這 些 即 所 謂 的 鹵 素 鎢 絲燈 , 光 效 率 較 舊 式 的 白 熾 燈 泡 超 過 20%, 可 發 出 強 光 , 貣 初 為 攝 影技 術 了 發 展 , 目 前 它 們 贏 得 了 交 通 號 誌 及 信 號 系 統 的 專 業 用 途 , 且仍 舊 廣 泛 地 使 用 於 表 演 藝 術 、 攝 影 技 術 等 特 殊 的 工 作 在 電 視 攝 影 棚 、電 影 製 片 場 、 醫 學 技 術 分 析 、 飛 機 場 應 用 之 光 源 及 科 學 和 技 術 領 域50


霓 虹 燈 (Neon Light)在 1898 年 , 英 國 化 學 家 雷 姆 賽 (Sir William Ramsay) 和 特 拉 弗 (Dr MorrisTravers) 兩 人 , 把 空 氣 中 的 氧 和 氮 用 化 學 方 法 移 除 後 , 在 液 態 空 氣 中 發 現 了一 種 奇 怪 又 稀 少 的 氣 體 。 這 種 氣 體 無 、 無 味 、 無 嗅 , 而 且 不 會 被 燃 燒 。 但 當他 們 把 這 種 氣 體 密 封 在 一 條 半 真 空 的 玻 璃 管 中 , 在 玻 璃 管 的 兩 端 通 上 電 流 ,原 來 沒 有 任 何 顏 色 的 玻 璃 管 , 卻 會 射 出 鮮 艷 可 愛 的 紅 光 來 。 就 是 這 樣 , 世 界上 第 一 支 霓 虹 燈 誕 生 了 。 他 們 面 對 著 這 種 奇 異 的 氣 體 和 這 美 麗 的 光 彩 下 , 他們 稱 這 種 新 發 現 的 氣 體 為 “ 氖 ”(Neon), 氖 (Neon) 在 希 臘 文 中 的 意 思 是“ 新 ”。充 在 燈 管 中 能 發 出 紅 光 的 種 氣 體 是 氖 氣 。 若 要 霓 虹 燈 產 生 不 同 的 色 彩 , 這 時需 要 請 綠 、 黃 色 , 藍 色 、 白 色 的 螢 光 粉 來 幫 助 。 例 如 , 將 藍 色 的 螢 光 粉 塗 在玻 璃 管 的 內 壁 上 , 把 玻 璃 管 彎 製 成 所 需 要 的 文 字 或 花 紋 圖 案 後 , 裝 上 電 極 , 並把 玻 璃 管 內 的 空 氣 抽 乾 淨 , 再 充 進 氖 氣 , 就 成 了 粉 紅 色 的 霓 虹 燈 了 。 如 果 塗上 了 藍 色 螢 光 粉 的 燈 管 中 充 入 氰 氣 和 水 銀 , 就 成 了 藍 色 的 霓 虹 燈 ; 要 是 塗 有綠 色 螢 光 粉 的 燈 管 中 充 入 氖 氣 , 就 成 橙 紅 色 ; 如 果 把 氖 氣 改 為 氰 氣 和 水 銀 , 便會 成 為 綠 色 霓 紅 燈 。51


氣 體 放 電 燈 與 日 光 燈人 們 在 研 究 氣 體 放 電 時 , 發 現 水 銀 蒸 氣 有 很 奇 特 的 作 用 。 在 燈 管 內 充 入 水 銀 , 使 它 的 氣 壓只 有 大 氣 壓 力 的 百 萬 分 之 一 , 放 電 電 流 大 於 0.1 安 培 時 , 這 種 燈 的 放 電 比 較 強 烈 , 是 一 種弧 光 放 電 , 不 過 它 有 60% 的 功 率 都 轉 為 紫 外 光 , 發 光 效 率 比 白 熾 燈 還 低 。能 不 能 將 這 些 紫 外 光 變 成 可 見 光 呢 ?1939 年 , 一 種 新 式 的 燈 管 出 現 , 它 在 內 壁 塗 上 螢 光 物 質 , 居 然 發 出 白 光 , 而 且 可 以 和 白 熾光 發 出 一 樣 亮 度 的 光 , 可 是 耗 電 卻 少 了 許 多 。這 就 是 螢 光 燈 , 屬 於 低 壓 水 銀 螢 光 燈 , 我 們 日 常 見 到 的 日 光 燈 就 是 這 類 的 燈 , 除 了 水 銀 蒸氣 外 , 還 摻 入 了 少 量 的 氰 氣 以 幫 助 放 電 , 而 燈 絲 上 也 塗 有 易 放 電 的 物 質 , 如 氧 化 鉀 或 氧 化鈣 。 兩 端 通 以 高 電 壓 , 迫 使 氰 氣 放 電 。 這 些 氰 氣 所 放 出 的 電 子 , 高 速 撞 擊 水 銀 原 子 , 使水 銀 原 子 提 升 到 一 個 高 能 量 狀 態 ( 叫 做 『 電 子 激 發 態 』)。 高 能 量 的 激 發 態 原 子 非 常 不 穩定 , 因 此 , 很 快 就 放 出 光 來 而 回 到 原 來 的 安 定 狀 態 。 當 水 銀 回 到 最 穩 定 狀 態 (GroundState) 時 , 釋 放 出 波 長 為 2540 埃 的 紫 外 光 。 可 是 這 些 紫 外 光 可 是 無 法 穿 透 日 光 燈 管 壁 的52


日 光 燈 的 接 線53


日 光 燈 的 安 定 器〄 安 定 器 是 繞 成 一 圈 圈 的 『 線 圈 』, 也 就 是 『 電 感 』〈 當 電 流 從 線圈 內 流 過 時 , 同 時 會 在 四 周 形 成 磁 場 。〄 當 這 些 電 流 想 要 變 化 流 量 時 , 磁 場 也 需 要 跟 著 變 化 。 當 磁 場 發 生變 化 時 , 線 圈 內 的 『 磁 通 量 』 也 跟 著 變 化 〈〄 法 拉 第 說 〆 當 磁 通 量 發 生 變 化 時 , 就 會 產 生 『 感 應 電 動 勢 』 而 這些 感 應 的 電 動 勢 就 是 想 要 抵 銷 磁 通 量 的 變 化 。〄 因 為 和 燈 管 串 聯 , 安 定 器 電 壓 增 加 , 燈 管 電 壓 就 降 低 。 電 流 就 會減 少 。 於 是 達 到 阻 止 電 流 快 速 變 化 的 功 能 。〄 安 定 器 事 實 上 阻 止 不 了 電 流 的 變 化 , 只 能 減 緩 。〄 雖 然 安 定 器 只 能 減 緩 電 流 的 變 化 , 幸 好 我 們 使 用 的 是 交 流 電 。 只需 要 延 緩 非 常 短 的 時 間 , 電 源 電 壓 就 會 自 動 降 為 零 ( 然 後 再 昇貣 )。54


使 用 日 光 燈 的 知 識〄 日 光 燈 管 的 壽 命 通 常 取 決 於 電 極 的 消 耗 。 當 放 電 時 , 電 極 的 原 子 會 被 高 能 量的 水 銀 離 子 撞 擊 (sputtering) 出 來 而 損 耗 。 而 這 種 損 耗 在 啟 動 時 最 嚴 重 ,( 兩極 間 有 高 電 壓 存 在 )。 所 以 日 光 燈 用 久 了 , 兩 頭 會 黑 黑 的 。〄 氣 壁 原 來 塗 了 螢 光 劑 , 被 蓋 住 後 , 還 能 轉 換 紫 外 光 為 可 見 光 嗎 〇〄 通 常 經 過 幾 千 次 啟 動 後 電 極 便 失 效 。 所 以 應 該 避 免 常 常 開 關 日 光 燈 。〄 日 光 燈 帄 均 壽 命 約 兩 年 , 更 換 時 兩 根 一 貣 換〄 日 光 燈 橫 放 可 使 壽 命 增 長 且 不 易 損 壞〄 餐 廳 間 採 全 面 照 明 或 局 部 照 明 , 廁 所 或 洗 臉 台 則 使 用 鎢 絲 燈 泡〄 灰 塵 是 照 明 器 具 的 大 敵 , 必 頇 勤 於 保 養〄 日 光 燈 頇 取 下 擦 拭 , 待 乾 了 之 後 再 裝 上因 為 日 光 燈 管 是 長 期 不 容 易 腐 化 以 及 含 有 有 害 物 質 成 份 之 一 般 廢 棄 物 。 而 且 因為 我 國 相 關 處 理 技 術 尚 未 成 熟 , 也 沒 有 全 面 執 行 回 收 作 業 。 因 此 我 國 的 業 者 ,目 前 已 經 朝 低 汞 產 品 方 面 來 研 發 。 以 降 低 廢 棄 後 造 成 環 境 污 染 的 程 度 , 因 此 家中 如 果 有 廢 棄 的 日 光 燈 管 , 可 以 交 由 地 方 的 清 潔 隊 清 理 。( 但 是 請 注 意 不 要 打破 喔 〈〈 可 以 用 報 紙 包 貣 來 , 以 免 割 傷 清 潔 人 員 。)55


使 用 日 光 燈 的 知 識• 日 光 燈 管 的 壽 命 通 常 取 決 於 電 極 的 消 耗 。 當 放 電 時 , 電 極 的 原 子 會 被 高能 量 的 水 銀 離 子 撞 擊 (sputtering) 出 來 而 損 耗 。 而 這 種 損 耗 在 啟 動 時 最 嚴 重 ,( 兩 極 間 有 高 電 壓 存 在 )。 所 以 日 光 燈 用 久 了 , 兩 頭 會 黑 黑 的 。• 通 常 經 過 幾 千 次 啟 動 後 電 極 便 失 效 。 所 以 應 該 避 免 常 常 開 關 日 光 燈 。• 日 光 燈 帄 均 壽 命 約 兩 年 , 更 換 時 兩 根 一 貣 換• 日 光 燈 橫 放 可 使 壽 命 增 長 且 不 易 損 壞• 餐 廳 間 採 全 面 照 明 或 局 部 照 明 , 廁 所 或 洗 臉 台 則 使 用 鎢 絲 燈 泡• 灰 塵 是 照 明 器 具 的 大 敵 , 必 頇 勤 於 保 養• 日 光 燈 頇 取 下 擦 拭 , 待 乾 了 之 後 再 裝 上• 因 為 日 光 燈 管 是 長 期 不 容 易 腐 化 以 及 含 有 有 害 物 質 成 份 之 一 般 廢 棄 物 。而 且 因 為 我 國 相 關 處 理 技 術 尚 未 成 熟 , 也 沒 有 全 面 執 行 回 收 作 業 。 因 此我 國 的 業 者 , 目 前 已 經 朝 低 汞 產 品 方 面 來 研 發 。 以 降 低 廢 棄 後 造 成 環 境污 染 的 程 度 , 因 此 家 中 如 果 有 廢 棄 的 日 光 燈 管 , 可 以 交 由 地 方 的 清 潔 隊清 理 。( 但 是 請 注 意 不 要 打 破 喔 〈〈 可 以 用 報 紙 包 貣 來 , 以 免 割 傷 清 潔 人員 。)56


光 源 的 種 類• 人 工 光 源 〆– 白 熱 燈 〆 碳 弧 燈 、 鎢 絲 燈 泡 、 鹵 素 燈 …– 放 電 燈 〆 日 光 燈 、 水 銀 燈 、 高 壓 鈉 氣 燈 、 複 金屬 燈 …– 固 態 光 源 〆 LED、EL、 固 體 雷 射 …• 發 光 原 理 〆– 白 熱 燈 〆 在 燈 絲 兩 端 通 電 使 燈 絲 溫 度 上 昇 而 放出 電 磁 波 。( 可 見 光 和 熱 ) 類 似 黑 體 輻 射 。– 放 電 燈 〆 再 放 電 燈 內 部 空 間 通 電 以 使 其 內 部 之氣 體 游 離 放 電 而 產 生 。57


發 光 效 率 ( Lm/W)每 一 消 耗 電 力 (WATT) 所 輸 出 光 的 能 量 (lm), 稱 為 發 光 效 率 (lm/w)。每 一 消 耗 電 力 輸 出 的 光 源 愈 多 , 就 表 示 光 源 效 率 愈 高 , 亦 即 愈 省 電 , 發光 效 率 依 功 率 大 小 、 種 類 、 使 用 狀 況 而 異 。發 光 效 率 比 較 表光 源 種 類光 源 效 率 (lm)白 熱 燈 13.5~22石 英 鹵 素 燈 13.5~30螢 光 水 銀 燈 35~63日 光 燈 30~95複 金 屬 水 銀 燈 63~115高 壓 鈉 氣 燈 40~155低 壓 鈉 氣 燈 130~18058


照 度照 度 的 定 義 為 被 照 體 單 位 面 積 所 受 的 光 通 量 , 其 單 位 為 勒 克 斯 (LUX)。 每 一 不同 使 用 目 的 的 場 所 , 均 有 其 合 適 的 照 度 來 配 合 實 際 需 要 。 例 如 , 一 般 家 庭 書房 的 全 般 照 明 照 度 約 為 100 LUX, 閱 讀 時 則 需 要 照 度 600 LUX, 此 時 可 用 檯 燈作 為 局 部 照 明 , 以 達 到 所 需 照 度 。 照 度 太 低 時 , 容 易 導 致 眼 睛 疲 勞 造 成 近 視 ,照 度 太 高 則 過 分 明 亮 刺 眼 , 形 成 電 力 浪 費 。色 溫 度不 同 光 色 的 光 , 有 不 同 的 色 溫 度 , 例 如 當 光 源 色 溫 度 在 3000 度 K 以 下 時 , 光 色開 始 有 偏 紅 的 現 象 , 給 人 溫 暖 的 感 覺 々 色 溫 度 超 過 5000 度 K 時 , 顏 色 則 偏 向 藍光 , 給 人 清 冷 的 感 覺 。 因 此 光 源 色 溫 度 的 高 低 變 化 將 影 響 室 內 的 氣 氛 。 例 如白 熾 燈 泡 色 溫 度 為 2700 度 K, 有 溫 暖 的 感 覺 , 因 此 , 常 用 於 臥 室 中 。 一 般 市 面上 照 明 產 品 多 標 示 有 色 溫 度 , 可 供 消 費 者 依 所 需 選 擇 。 下 圖 為 自 然 光 源 與 人工 光 源 色 溫 度 對 照 表 。演 色 性光 源 對 於 被 照 物 顏 色 呈 現 程 度 稱 為 演 色 性 , 也 就 是 顏 色 逼 真 的 程 度 。演 色 性 高 的 光 源 對 顏 色 的 表 現 較 好 , 意 為 我 們 眼 睛 所 看 到 的 顏 色 較 接近 自 然 原 色 。 反 之 , 演 色 性 低 的 光 源 對 顏 色 的 表 現 較 差 , 看 到 的 顏 色偏 差 較 大 。 對 於 燈 具 演 色 性 高 低 的 選 擇 需 依 據 被 照 物 及 環 境 的 要 求 來59決 定 , 例 如 為 表 現 商 品 的 價 值 , 商 品 櫥 窗 即 需 高 演 色 性 的 照 明 環 境 。


光 源種 類效 率(Lm/W)Ra演 色 性評 估色 溫 度。K光 色 效 果用 途白 熾 燈清 光 泡 6~25 100 極 佳 2900 具 暖 和 效 果 ,輝 度 高磨 砂 泡 6~25 具 暖 和 、 舒 適效 果真 珠 泡 10~15 光 色 柔 和 照 明氣 氛 快 樂◎ 稍 微 要 求 講 究 穩 重 氣 氛 之 貣 居 室 、浴 室 等 場 所 。◎ 顯 現 食 物 美 色 之 餐 桌 照 明 。◎ 點 滅 次 數 多 , 點 燈 時 間 較 短 之 玄關 、 廁 所 等 場 所 。鹵 素 燈J 型 、JCV型 、JC 型 、JDR 型10~20 100 極 佳 3000演 色 性 佳 、 光色 清 晰 、 鮮 艷餐 桌 、 客 廳 、 壁 飾 等 照 明 。晝 光 色 45~75 74 可 6500白 色 48~82 61 可 4200微 藍 色 光 、 具涼 爽 氣 氛微 黃 色 光 、 具溫 暖 氣 氛一 般 場 所日 光 燈晝 白 色 48~82 72 可 5000白 色 光 、 具 柔和 氣 氛高 演 色 性 58~95 95 極 佳 5000 與 白 熾 燈 泡 同 要 求 真 實 色 彩 表 現 之 場 所三 波 長 晝光 色54~88 84 佳 6700具 清 涼 感 、 物體 原 色 、 清 晰可 見書 房 、 客 廳 、 臥 室 等三 波 長 白色58~95 84 佳 5000柔 和 色 彩 、 自然 健 康水 銀 燈清 光 40~50 23 差 6000 刺 眼螢 光 色 45~70 53 尚 可 4100白 色 光 、 較 不刺 眼60庭 園 、 景 觀 照 明 、 室 外 通 道 照 明 、圍 牆 照 明 、 轉 角 照 明


眩 光眩 光 是 由 較 高 輝 度 的 光 源 、 燈 具 或 窗 戶 等 所 造 成 。 在 有 刺 眼 的 光 源 存 在時 , 會 使 眼 睛 產 生 不 舒 服 的 感 覺 , 或 是 造 成 眼 睛 對 於 物 品 辨 識 能 力 的 下降 。 為 避 免 眩 光 的 干 擾 , 在 視 界 範 圍 內 , 應 移 開 高 輝 度 的 光 源 , 例 如 採用 有 遮 光 的 燈 具 、 提 高 燈 具 安 裝 高 度 、 降 低 燈 具 與 周 圍 之 輝 度 比 。 對 於由 太 陽 所 產 生 的 眩 光 可 用 窗 簾 或 遮 陽 板 來 防 止 陽 光 的 直 射 。全 般 照 明 與 局 部 照 明全 般 照 明 指 在 室 內 空 間 內 , 使 用 適 當 數 量 的 照 明 設 備 , 使 整 個 空 間 內 均有 均 勻 的 照 明 , 通 常 家 庭 中 客 廳 、 臥 房 …. 等 全 般 照 明 在 70~150Lux 之 間即 可 。 若 有 需 要 較 高 照 度 的 活 動 時 , 可 另 以 檯 燈 、 壁 燈 等 作 為 局 部 照 明 ,提 供 必 要 的 照 度 。 採 用 全 般 照 明 與 局 部 照 明 相 互 配 合 的 照 明 方 式 , 除 可使 室 內 照 明 更 加 活 潑 與 多 樣 化 , 並 可 減 少 照 明 用 電 , 達 到 節 約 用 電 的 目的 。61


雷 射 (LASER)• Light Amplification by Stimulated Emission ofRadiation– 特 性 〆 直 線 前 進 、 高 亮 度 、 單 一 頻 率 、 連 續 相 位– 種 類 〆 氣 體 、 固 體 、( 半 導 體 ) 二 極 體 、 液 體 …– 應 用 〆 切 焊 、 醫 學 、 通 訊 、 光 碟 、 條 碼 、 娛 樂 …62


發 光 二 極 體 (LED, Light Emitting Diode)利 用 p 型 材 質 ( 電 洞 ) 及 n 型 材 質 ( 電子 ), 通 入 順 向 電 壓 , 電 子 與 電 洞於 pn 接 面 結 合 而 產 生 光LED 應 用 領 域63


白 光 LED白 光 LED 是 LED 產 業 中 最 被 看 好 的 新 興 產 品 , 在 全 球 能 源 短 缺 的 憂 慮 再 度升 高 的 背 景 下 , 白 光 LED 在 在 照 明 市 場 的 前 景 備 受 全 球 矚 目 , 歐 、 美 及日 本 等 先 進 國 家 也 投 注 許 多 人 力 , 並 成 立 專 門 的 機 構 推 動 白 光 LED 研 發工 作 。白 光 LED 與 現 行 照 明 設 備 比 較照 明 方 式特 點白 光 LED LED 具 有 發 熱 量 低 、 耗 電 量 小 ( 白 熾 燈 泡 的 八 分 之 一 ,日 光 燈 的 二 分 之 一 )、 壽 命 長 (1 萬 小 時 以 上 , 是 日光 燈 的 10 倍 )、 反 應 速 度 快 、 體 積 小 可 帄 面 封 裝 等 優點 , 易 開 發 成 輕 薄 短 小 產 品 , 是 被 業 界 看 好 在 未 來 10年 內 , 成 為 替 代 傳 統 照 明 器 具 的 一 大 潛 力 商 品 。日 ( 螢 ) 光 燈 日 光 燈 雖 省 電 , 但 仍 有 廢 棄 物 含 汞 污 染 、 易 碎 等 問 題白 熾 鎢 絲低 效 率 、 高 耗 電 、 壽 命 短 、 易 碎 等 是 其 缺 點64


電 激 發 光Electro Luminescent (EL)〄 是 一 種 電 能 轉 換 為 光 能 的 現 象 , 但 因 其 在 運 轉 的 過 程中 不 會 發 熱 , 所 以 一 般 俗 稱 “ 冷 光 ”〄 是 一 種 對 視 覺 不 會 造 成 刺 眼 , 沒 有 傷 害 性 的 光 源 , 短波 光 , 聚 光 性 強 , 夜 間 特 別 顯 得 明 亮 、 醒 目 , 省 電 ,低 消 費 電 力〄 主 要 是 當 發 光 中 心 的 外 層 電 子 受 到 加 速 的 一 次 電 子 撞擊 之 後 , 產 生 電 子 遷 移 現 象 , 並 提 升 至 母 體 傳 導 帶 而形 成 自 由 電 子 。 此 外 , 在 同 一 時 間 中 發 光 中 心 也 產 生了 離 子 化 , 接 著 自 由 電 子 與 離 子 化 的 發 光 中 心 再 次 結合 , 最 後 能 階 間 的 能 量 差 以 光 放 射 的 形 式 釋 出 。〄 壽 命 問 題〄 這 項 科 技 還 結 合 半 導 體 的 技 術 而 朝 向 冷 光 顯 示 器 發 展65


參 考 資 料• http://pei.cjjh.tc.edu.tw/chem_30_6.htm• 郭 治 ,「 物 理 傳 奇 - 萬 能 的 電 」, 益 智 工 房 , 民 90。• http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/magnetic/amplaw.html• 張 文 亮 ,「 法 拉 第 的 故 事 」, 文 經 社 ,2002 年 12 月 。• 孟 德 堡 著 , 明 君 譯 ,「 電 的 故 事 」, 今 日 世 界 出 版 社 ,1963 年 。• 陳 為 友 等 著 ,「 影 響 世 紀 的 物 理 發 現 1」, 紫 藤 屋 , 民 91。 陳 可 崗 譯 ,「 觀 念 物 理V: 電 磁 學 、 核 物 理 」, 天 下 文 化 ,2002。• http://www.taipower.com.tw/main_6/main_6_6_2.htm• http://www.gel.ulaval.ca/~mbusque/elec/main_e.html• http://www.mcw.edu/gcrc/cop/static-fields-cancer-FAQ/toc.html• http://www.colorado.edu/physics/2000/waves_particles/wavpart4.html• http://tds.ic.polyu.edu.hk/td/theme1/second_technology_revolution_c.htm• http://www.millionbook.net/js/l/liqirong/adsz/007.htm• http://americanhistory.si.edu/lighting• http://www.toa.com.tw/Web/index_chinese.php• http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/everydayPhysics/lamp.html• http://www.limate.com/1/2014.htm66

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