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電磁英雄法拉第(上):脫穎而出的幸運少年——《物理雙月刊》

物理雙月刊_96
・2017/07/07 ・4971字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 522 ・七年級

  • 文/高崇文,中原大學物理系教授

這一回要來寫一個家喻戶曉的人物,法拉第。他的人生簡直是從狄更斯小說中冒出來的傳奇故事:出身寒微、個性善良的主人翁,憑著毅力與熱誠,得到眾人的喜愛與幸運之神的青睞,即使遇到嫉妒的眼光,碰到惡棍的阻擾,但主角總能逢凶化吉,最後結局皆大歡喜。所以法拉第的生平往往被寫成勵志小說,這也是法拉第人氣高居不下的原因。但是阿文倒是想趁這個機會,藉著法拉第好好地來介紹工業革命如何改變科學的面貌。

想多啃點書?那就當位裝訂工吧!

法拉第(Michael Faraday)於 1791 年出生於英國倫敦附近的一個叫 Newington Butts 的村子。法拉第的父親 James 是個桑地馬尼安教派(Sandemanians)的一員,桑德曼派是蘇格蘭長老會牧師格拉斯在 1730 年前後創立的教派。嗣後他的女婿桑德曼成為該教會的領袖。因此該派通稱桑德曼派。他們照著字面解釋聖經來實踐聖經的教導,譬如說他們認為人不應積累財富,因為那是違背《聖經》的教導。法拉第一生篤信這個教派。在英國凡是信奉英國國教以外的教派的人被稱為非國教徒 Dissenters。十九世紀以前他們不能進大學,不能擔任公職,簡直就是社會的邊緣人。但是隨著工業革命的開展,這一切都將改變,而法拉第就是最好的見證。

法拉第一生篤信桑德曼派,認為人不應積累財富,因為那是違背《聖經》的教導。在英國凡是信奉英國國教以外的教派的人被稱為非國教徒,十九世紀以前他們不能進大學,不能擔任公職,但一切在工業革命後都將改變。圖/By Thomas Phillips, Public Domain, wikimedia commons

法拉第的父親是名鐵匠,但身體並不好,無法常上工,因此造成家境貧困,因此年紀一到他就得去當學徒賺錢維生。實際上,更窮的人,年紀還沒到,就去當童工呢!(狄更斯就當過童工!)法拉第 14 歲時成為書本裝訂商 George Riebau 的書店中的不支薪跑腿工。Riebau 是躲避革命而逃到英國的法國人。由於老闆很欣賞他的工作態度,就將法拉第升作學徒,還不收學費。看過電影「戀戀風塵」嗎?電影中的阿遠不也是家貧無法升學,跑去印刷行當學徒嗎?就是因為可以邊工作邊讀書呀。當然,得遇到好老闆才行。

7 年學徒生涯中,他讀了不少啟迪他的好書,像是 Isaac Watts 的 The Improvement of the Mind。Isaac Watts 是「非國教派」的神學家與邏輯學家。書中對於學習的原則與建議,法拉第一直奉為圭臬。還有 Jane Marcet 寫的Conversations on Chemistry。這本書是第一本寫給一般讀者看的化學入門書。法拉第拿到這本書之後,不但熟讀書中內容,還將書中的實驗一個接著一個地試做過呢。大概是在他寄住師父家的廚房中,用鍋碗瓢盆等簡陋的器材來做的吧!

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當時的正統教育注重的是希臘、拉丁文這種古典語文以及數學,那個時代也還沒有化學系或是工學院。Liebig 在德國Giessen 大學首次開辦世界上實驗與教學並行的現代化學教育是從 1826 年才開始的!嚴格說來,在十九世紀初,勉強來講只有醫生與藥師算是「科學專業人士」,至於天文學家與數學家則算是「古典學者」。對於要從事當時的新興學科,特別是化學的人來說,正規教育其實幫助有限,一般法拉第的傳記總是喜歡拿他的學歷做文章,似乎是有點大驚小怪。

大師演講,開啟新世界

當然,法拉第絕不是英國惟一嚮往科學的學徒,但是幸運之神似乎特別眷顧他。Riebau 的一位老主顧,William Dance(他是一位音樂老師,之前曾是職業音樂家)在 1812 年送了四張當時倫敦有名的戴維演講會的入場券給法拉第。這四場演講會的日期分別是 1812 年 2 月 29 日、3 月 8 日、4 月 8 日、和 4 月 10 日。這件事情成了法拉第人生的轉捩點,他作夢也沒想到他的人生將與戴維以及主辦演講會的皇家研究院都即將結下不解之緣。讓我先介紹一下這兩者吧!

皇家研究院是在 1799 年由美國出生的科學家 Benjamin Thompson 所創立的。它的宗旨是以「傳播知識,促進有用的機械的發明和改進,並藉科學的演講和實驗教導人們將科學應用在日常生活中」。這樣的宗旨開宗明義地宣告了科學的實用價值,在過去這可是聞所未聞的事。皇家研究院在倫敦市中心買了豪華的建築,也準備了講堂和實驗室。但是真正讓皇家研究院聲名大噪的是戴維(Humphry Davy)。

戴維在 1778 年出生在英格蘭彭贊斯附近的鄉村。他當了一段時間醫生的學徒,在藥局學習化學和藥學,也做了各式各樣,甚至危險性很高的實驗。1798 年戴維被 Beddoes 網羅到氣體研究所當助手。這個研究所的目的是將各種人工製造的氣體做為醫療應用,戴維因此做了各種氣體實驗。當時有許多名人會定期來研究所來吸他們製造的笑氣呢。1801 年他成為剛皇家研究院的化學演講助手兼實驗主任。一開始他做和電學相關的公開演講。由於他的實驗表演巧妙,本身又英俊挺拔,風度翩翩,因此引起轟動,吸引了很多女性聽眾。於是乎戴維在 1803 年就升為皇家研究院的教授。自 1807 年起至 1808 年之間他利用伏打電池發展出所謂熔鹽電解的實驗手法,藉此成功分離出鉀等六種元素。1812 年戴維受封爵士,聲望如日中天。可想而知他的演講會有多熱門了。

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和法拉第結下不解之緣的戴維,是真正讓皇家研究院聲名大噪的重要人物。圖/By Thomas Phillips, Public Domain, wikimedia commons

法拉第興沖沖地在台下聽了四次演講,還寫了詳細的筆記。連同實驗裝置的素描,做成完整的記錄。並將這份厚厚的紀錄,用他拿手的裝訂技術做成一本精美的書。不久法拉第和 Riebau 的合約到期。他正式成了裝訂工人。法拉第和新老闆據說處得並不愉快。其實這時法拉第早已無心繼續當裝訂工了。但是當時並立志成為科學工作者的人並沒有可依循的管道,法拉第於是寄了封信給皇家學會主席 Joseph Banks。他的信石沉大海,沒有收到回音。其實當時階級界限相當森嚴,Joseph Banks 又是伊頓公學,牛津一路念上來的傳統的仕紳,接到一位陌生的裝訂工的信,想當然耳是扔進廢紙簍的吧。(當時英國禮法森嚴,未婚男女不能通信,向陌生人自我介紹更是沒教養的行為呢!)

好用助理兼小弟?只需帶上法拉第

正當法拉第感到沮喪時,Dance 建議他該去找戴維,還建議他把演講會的筆記寄去。此時幸運之神又再度眷顧法拉第。就在此時戴維在做實驗的時候發生爆炸,傷到眼睛。急需一位研究助理幫他做實驗的記錄。就這樣,法拉第在 1812 的年終做了幾天的研究助理。但法拉第的幸運還不僅如此。1813 年 2 月 19 日,一個在皇家研究院當研究助理的男子因為和同事吵架而被解雇。戴維毫不猶豫地推薦法拉第為繼任人選。法拉第 3 月 1 日就獲得錄用。薪水是週薪 25先令(年薪 57 鎊),再加上研究院內宿舍的煤炭與蠟燭的配給。當時一般人的年薪為 50 鎊左右,因此這個條件是相當不錯。但是半年之後戴維要到歐洲旅行,而且要求法拉第隨行。起初戴維打算旅行三年以上,所以他辭去皇家研究院的教授職,當然法拉第也只好辭職。一行人 1813 年 10 月 13 日從倫敦出發。

戴維的歐洲之旅並不是去觀光,而是去領獎!拿破崙皇帝要頒獎給戴維!而戴維也是興致勃勃要和歐洲大陸的學者討論,必要的話也想做實驗。因此行李之中加上便於攜帶的實驗器具組,所以需要實驗助手法拉第同行。由於當時英法還在打仗,戴維的貼身僕人並不想去,法拉第原本是以助手的身份跟去,卻被要求同時作戴維的僕人,直到在巴黎找到人代替為止。戴維最後沒找到代替者,法拉第也因此被強迫在整個旅程同時兼任僕人與助手。

雪上加霜的是戴維的新婚妻子把法拉第當成僕人,旅行時要他坐在馬車外,與僕人同桌吃飯(看過唐頓莊園的看官一定知道我在講什麼!)這件事後來被人加油添醋,其實戴維夫人原是蘇格蘭一位家財萬貫的富商之女,後來嫁給一位「從男爵」的繼承人,沒想到她的第一任丈夫還沒當上從男爵就過世了,她才再嫁給戴維。顯然這位女士跟當時英國千千萬萬位仕女一樣,有著強烈的階級成見,而當時的實驗室助手並不像今天一樣被當做是「同事」,而更像是下屬(像法拉第自己的實驗室助手安德生,雖然忠心又沉默寡言,法拉第可沒把他當同事看)。

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他們到達巴黎後,除了與安培等人見面外,戴維還「順便」確認了碘是一種元素!十二月一行人到達佛羅倫斯,在此戴維在法拉第協助下做了一系列實驗,證明了鑽石其實就是碳!隔年六月他們到米蘭跟伏打見面,一路北上到日內瓦。當他們準備前往希臘與伊斯坦堡時,拿破崙逃離厄爾巴島的消息傳開來,由於擔心時局動盪,一行人在 1815 年 4 月 23 日回到英國。

避免礦坑爆炸,從礦燈改良開始

這趟旅行雖然讓法拉第大開眼界,但回國後卻失業了。幸好皇家研究院以比之前稍高的薪水再次聘用了法拉第。這當然是拜戴維所賜。法拉第在 1821 年升為 Assistant Superintendent。除了要擔任在戴維辭職後續任的布蘭德教授上課時的助理,管理實驗室之外,法拉第還要從事皇家研究院接受委託的工作。因為接受私人的委託也是皇家研究院重要的財源之一。從委託的內容也可以看出研究院重視以科學來改善窮人的福祉的一面。最好的例子莫過於安全燈的改良。

隨著工業革命的進行,煤炭的需求量不斷上升,過度開採導致礦坑事故變得頻繁。特別是自從 1812 年 5 月 25 日發生Felling Colliery 礦災(這起事故造成 92 人死亡,其中 37 人是 17 歲以下的小孩,最年幼的罹難者年僅九歲)之後使得社會注意到礦工的安全,迫使礦業主來請求皇家研究院協助。戴維在法拉第的協助下,發現礦坑內的甲烷依一定比例和空氣混合的氣體,在接觸火或高溫熱源時會爆炸。

根據這個發現而發明的安全礦燈具有用細密的鐵絲網包覆燈火的構造。混合了甲烷的空氣進入安全燈時會被鐵絲網冷卻,因此無法達到燃點。此外,當鐵絲網變紅的時候,還有警示的功用。戴維親自進到礦坑內測試安全燈的效用,而且不申請專利。這些做事態度後來法拉第都繼續奉行。但隨著戴維在 1819 年接受了「從男爵」的爵位,隔年又成為皇家學會主席之後,兩人卻漸行漸遠。兩人間的裂痕不久後浮上檯面了。

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戴維發明的安全礦燈具有用細密的鐵絲網包覆燈火的構造。By Scan made by Kogo, Public Domain, wikimedia commons

昔日師徒情深,而今形同陌路

在厄斯特發現電流生磁現象後,戴維和 William Hyde Wollaston 嘗試設計一部電動機,但沒有成功。Wollaston 認為電流在導線內以螺旋方式進行。他預測一條懸掛的導線會受到附近的磁鐵的影響而以自身為軸旋轉。與他們討論過這個問題後,法拉第把導線接上化學電池,使其導電,再將導線放入另一個內有磁鐵的汞池之中(如下圖),他發現導線繞著磁鐵旋轉。這個裝置現稱為單極馬達

法拉第證實電磁轉動的實驗裝置。圖/By Michael Faraday, Public Domain, wikimedia commons

原理是這樣的:放置在與磁場垂直的載流導線會產生一個垂直磁場與導線的力。此力產生一個力矩。由於旋轉軸與磁場平行,且對應的磁場方向不變,故電流不需要改換方向還是可以持續旋轉。法拉第這項發現的報告於 1821 年 9 月 11 日發表,刊載於 Quarterly Journal of Science。法拉第在未告知 Wollaston 的情況下就將論文發表。雖然 Wollaston 的預測和法拉第的實驗並不相同,Wollaston 和他的朋友還是認為這是一種「剽竊」行為,為此法拉第受到相當嚴厲的責難。

1823 年 3 月戴維以主席的身分在皇家學會演講,居然將電磁轉動歸功給 Wollaston,對法拉第來說是格外難堪之事。之後有人提名法拉第成為皇家學會的院士(FRS)的候選人。戴維不但反對,還試圖阻擋法拉第當選,但沒有成功,法拉第在 1824 年 1 月 8 日被選為皇家學會的院士。這件事讓兩人師徒情份盡失。而從 1825 年起,法拉第更獲聘為皇家研究院的 Director of the Laboratory,年薪 100 鎊。他擔任這個職務一直到退休。

院士選舉這件事後來被法拉第的傳記作者大書特書。被當做是戴維嫉妒法拉第的鐵證。甚至認為 1825 年戴維指派法拉第進行改良光學玻璃實驗是阻止法拉第研究電磁學的陰謀。其實這個計畫是皇家科學院和海軍部帶進來的。計畫裡組織一個小型的委員會,法拉第的責任是負責指導光學玻璃的製作。Dollond 負責研磨鏡片,John Herschel 進行光學性質測定。

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把戴維想成似乎是三國演義的周瑜一般地妒火中燒,似乎與他向來的為人不符吧?更何況,就在同一年法拉第還能從倫敦路燈使用的瓦斯(一種從鯨油分解而來的產物)分離出苯,看來法拉第並不是單用一個計畫就能阻止他做別的研究的人。不管如何,光學玻璃實驗最終在 1829 年年底喊停了。而這一年戴維與 Wollaston 相繼謝世,「湊巧」的是,法拉第不久就回到電磁相關的研究。真相如何,恐怕只有當事人才知道吧。

從一個裝訂學徒變成為當時一流的學者,法拉第走過了迢迢長路,然而他的精彩人生才正要邁入高潮,還請各位看官耐心等候。

下回見囉!


 

本文摘自《物理雙月刊》39 卷 6 月號 ,更多文章請見物理雙月刊網站

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物理雙月刊_96
54 篇文章 ・ 15 位粉絲
《物理雙月刊》為中華民國物理學會旗下之免費物理科普電子雜誌。透過國內物理各領域專家、學者的筆,為我們的讀者帶來許多有趣、重要以及貼近生活的物理知識,並帶領讀者一探這些物理知識的來龍去脈。透過文字、圖片、影片的呈現帶領讀者走進物理的世界,探尋物理之美。《物理雙月刊》努力的首要目標為吸引台灣群眾的閱讀興趣,進而邁向國際化,成為華人世界中重要的物理科普雜誌。

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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一卡在手便利無窮,悠遊卡的設計原理——《我們的生活比你想的還物理》
商周出版_96
・2022/12/05 ・2482字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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時事話題

NEWS|在課堂介紹電磁波概念時,有位同學佳琦舉手提問筆者:「老師,用悠遊卡刷進捷運站非常方便,那個背後的原理和電磁波有關嗎?」另一位同學婕妤回答:「應該是悠遊卡會發出電磁波,傳遞訊息到門閘的感應器吧?」

悠遊卡如今早已融入臺灣大都會的生活中,不論是捷運、超商、購物或搭乘公車,悠遊卡在手,便利許多。然而,悠遊卡內並無電池,也不需要插入讀卡機,為何能夠溝通而傳遞資訊呢?

刷悠遊卡進出捷運站,其背後原理和電磁波有關嗎?圖/Pixabay

為何沒裝電池的悠遊卡可以產生電流?

悠遊卡系統主要是應用法拉第電磁感應定律來辨識與傳遞資訊,此與無接觸感應技術有關,該技術稱為「無線射頻辨識系統」(radio frequency identification,RFID)。完整的一套無線射頻辨識系統,是由讀卡機(reader)、電子標籤(tag)和應用程式資料庫電腦系統部分所組成。

運作過程先由讀卡機發射一特定頻率的無線電波能量給電子標籤,藉此驅動標籤內建電路,輸送內部的身分代碼,以開啟溝通之路。

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若以法拉第電磁感應的物理概念解釋,讀卡機產生變動磁場, 同步提供電子標籤變動磁場,驅動電子標籤產生感應電流,也就是讓悠遊卡內部迴路產生感應電流,並讓電子標籤發送身分代碼訊息給讀卡機,也即驅動內部晶片能夠發送訊號,讀卡機依序接收資訊、解讀此身分代碼,再透過應用程式資料庫系統讀取悠遊卡內的晶片資料,完整達成溝通與解讀任務。

電子標籤發送身分代碼訊息給讀卡機,即驅動內部晶片發送訊號。圖/維基百科

每一張悠遊卡都有獨立的電子標籤,當卡片靠近悠遊卡標誌的磁場感應範圍內,即可透過電磁感應的原理,驅使電子標籤內的線圈產生感應電流,此電流供應電子標籤傳送資訊至讀卡機,以解讀晶片資料。

或許讀者會好奇,沒有電池的悠遊卡怎麼產生電流呢?這個問題也需要以法拉第電磁感應定律說明。

依法拉第電磁感應定律,悠遊卡的線圈迴路會因為磁場強弱的變化,以及通過的面積區域角度變化而產生類似電池驅動電流功能的「感應電動勢」,或稱為感應電壓。此感應電壓大小與線圈匝數及每匝線圈中磁場隨時間的變化率有關。匝數愈多,磁場變化率愈大,悠遊卡迴路中的感應電壓愈大,產生的感應電流就愈大。

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當卡片靠近標誌的磁場感應範圍內,即透過電磁感應產生感應電流。圖/《我們的生活比你想的還物理

因此,悠遊卡雖然沒有內建電池,但可以透過電磁波的應用,採用無線射頻辨識系統,在運作時,讀卡機持續發出電磁波,當卡片接近時,其內部線圈產生感應電動勢,再進一步驅動感應電流。此感應電流讓卡片內的晶片發出電磁波,回傳必要的資訊給讀卡機,完成感應過閘的流程。

以臺北、臺中和高雄的悠遊卡來說,採用的是無線射頻辨識系統模式,屬於比較低頻率的電磁波,卡片必須距離讀卡機約 14 公分內,才能讀取卡片的晶片資料。因此若將悠遊卡裝在比較厚的皮夾或兩張磁卡疊在一起,可能無法第一時間完成讀卡,而形成「卡片無法讀取」的「卡卡」現象,建議單純使用悠遊卡過閘,較能順暢通過閘門。

其他如進出家門的感應磁扣、停車場的票卡、信用卡感應支付、國道收費系統 ETC 等,皆是應用無線射頻辨識系統 RFID 的技術,只不過國道收費系統 ETC 的感應器的感應距離約需 60 公尺內,才能順利讀取通過車輛的相關資訊。

台灣高速公路的電子道路收費系統(electronic toll collection, ETC)。圖/維基百科

物理小教室

  • 手機行動支付的物理學原理

手機支付的運作原理也是基於 RFID 發展而出的近場通訊(near-field communication,NFC) 技術。目前近場通訊技術採用頻率為 13.56 MHz 的電磁波,以 106 kbit/s、212 kbit/s 或 424 kbit/s 這 3 種速率傳輸資料,bit 翻譯為位元,是電腦資料的最小單位。

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利用手機支付時,須靠近刷卡機約 4 公分距離內,此時可藉由電磁波傳遞相關資訊,完成付款手續。近場通訊技術不只有用在手機支付, 也可運用傳輸文字、照片、音樂檔案,是目前手機常見的內建功能。

  • 電磁感應的進階說明

電動勢(electromotive force, emf)可以驅動導體內的電荷移動, 產生電流。電池因為內部材料的屬性,會在正負極產生固定的電位差或電壓。電動勢是電池正負極間的電位差,也常稱為電壓,其國際單位制(SI)單位為伏特(V)。

導體內的電流與電壓成正比,假設導線的電阻及電池的內電阻都可略去不計,電路中流動的電流是電壓與電阻相除後的數值。可知電池的電動勢,可以驅動迴路上的電流,讓燈泡發光發熱。

然而,一個未接電源的迴路導線圈,可不可能產生電流?可以。若是通過迴路導線圈的磁場變化或磁通量改變,也會產生感應電流,這是發電機的原理,也是物理學家法拉第和冷次的電磁感應概念。

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電磁爐和捷運列車的磁煞車也是運用電磁感應的概念。電磁爐內部的主要構造是由絕緣體包覆的導線環繞的線圈,當交流電通過線圈時, 電磁爐表面就會產生隨時間改變的磁場,這個磁場的變化會同時在鍋子底面產生應電流,再透過電流熱效應加熱鍋子,也加熱食物。

——本文摘自《我們的生活比你想的還物理》,2022 年 11 月,商周出版,未經同意請勿轉載。

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從悠遊卡到無障礙聽障服務都靠它!那些你沒想過的電磁感應應用
雅文兒童聽語文教基金會_96
・2021/01/18 ・2757字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 484 ・五年級

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  • 文/雅文基金會聽語科學研究中心 研究助理 蔡宜欣

使用悠遊卡已經是現代台灣人的日常生活習慣,不論是搭乘捷運、公車,或是到超商、合作店家消費,只要將卡片靠近感應器「嗶」一下就能讀卡扣款,既便利又快速。不過,悠遊卡既沒有裝電池也不需要插入讀卡機,為什麼還能傳遞資料呢?

悠遊卡只要靠近感應器「嗶」一下就能搭乘公車、捷運,還能到商店進行消費,非常便利與快速,使用悠遊卡已經是現在台灣人的生活日常。圖/悠遊卡公司

悠遊卡是怎麼辦到的?

西元 1831 年,英國科學家法拉第 (Michael Faraday) 發現,當磁鐵穿過不帶電的線圈中間或線圈經過靜止的磁鐵時,線圈會因為磁場變化而產生感應電流 (induced current) ,且當線圈匝數(圈數)愈多或是移動速度愈快時,產生的電流就會愈強,這樣神奇的「磁生電」現象就稱為電磁感應 (electromagnetic induction) ,也就是悠遊卡使用的原理之一1,2

法拉第發現當磁鐵穿越線圈或是線圈經過靜止的磁鐵時,線圈會因為磁場變化而出現感應電流。
圖/Wikimedia common

悠遊卡使用的無接觸感應技術稱為 RFID(Radio Frequency Identification,無線射頻辨識系統),每張悠遊卡中都有 RFID 標籤 (Tag),雖然標籤本身不會放電,但當它靠近讀卡機 (Reader) 的磁場周圍時會透過電磁感應的原理讓標籤上的線圈產生電流,這個電流便足以供應標籤將資訊傳到讀卡機。

不只是悠遊卡,舉凡感應式信用卡、高速公路電子收費 ETC (Electronic Toll Collection) 、圖書館或商店的防盜裝置、宿舍門禁卡、寵物晶片等也都是使用RFID 的技術呢!

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手機 NFC( Near Field Communication,近距離無線通訊)則是 RFID 的延伸版,同樣是使用電磁感應進行運作,差別在於 RFID 屬於單向提供資訊,NFC 則是讓短距離的兩方設備間能雙向交換資訊,過程快速又安全,有了NFC 功能的手機便可以進行我們耳熟能詳的行動支付3-6

電磁感應也能這樣用

家中的電磁爐也是利用電磁感應的原理,電磁爐內部的線圈會不斷交替磁場,間接讓金屬鍋具產生渦電流 (Eddy Current) ,達到電流生熱的效果,便能加熱鍋中的食物7,8。除此之外,電磁感應也可以用於傳遞音訊喔!

想想看,今天到電影院欣賞一場電影,旁邊觀眾討論劇情或偷講電話的干擾是否讓你的理智線快斷裂?對於聽損人士來說,雖然他們的助聽器可以將外部聲音合適的放大,讓聲音訊息變得「清晰」,但當外部聲音訊息是來自於電子設備時(如:小蜜蜂、喇叭、廣播系統),助聽器麥克風會將這些「電子設備處理過的機械音」再次處理後才播放,導致聲音在數次的轉換過程容易「失真」,自然音效品質便容易因此打折,更甭提旁邊可能還有其他觀眾發出的擾人噪音,讓看電影不再是一件浪漫又享受的事情。

這種時候,使用 T 線圈 (Telecoil/T-coil) 就能幫助聽損人士聽得更清晰!多數助聽輔具都有 T 線圈,是透過導線纏繞在鐵氧體 (ferrite) 材質的棒子上所組成的,聽損人士只要在設有聽力/電磁感應線圈系統 (Hearing Loop / induction loop system) 的環境裡開啟「 T 功能」,金屬線圈便會產生交流電,將目標音源訊號接收後直接調整並放大,避免數次的聲音處理,讓使用者聽到清楚又純粹的聲音9,10

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T 線圈是一個纏繞在鐵氧體棒上的金屬線圈裝置,內建於多數助聽器裡。圖/hearingloop

T 線圈與藍芽、遠端麥克風系統差在哪?

可以無線傳遞音訊的科技不只有一種,除了 T 線圈之外,助聽輔具也常具備藍芽功能 (Bluetooth) 或可搭配遠端麥克風系統 (Remote Microphone) ,那這三者有什麼不一樣?

藍芽功能雖然便於聽音樂、接聽電話,但會受到距離和特定助聽輔具型號的限制;遠端麥克風系統雖然可以與主講者戴的專屬麥克風連接,但在設備連接的數量及輔具的配對上仍較容易有所限制。

T 線圈則不同,大多數助聽輔具都有這樣的裝置,且感應線圈的設置也可以依照場地需求變更,範圍可以是一個運動球場大,也可以僅環繞在聆聽者周圍(如:設置於地板或椅子上),只要有裝設的地方就可以使用9

比起其他個人化的無線裝置,T 線圈省了逐一配對的步驟,只要在裝設的地點內活動,也不會受到距離所限制,同時在感應範圍內還能多人使用,因此這項科技大多被運用於公共場所,例如國外的車站、教堂、學校、博物館或歌劇院等11,12,讓聽損人士能輕鬆欣賞演奏、導覽或演講而不被雜音或距離所干擾,落實生活無障礙!

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T 線圈的標誌提醒聽損人士可以開啟 T 功能來聆聽。
圖/hearingloop

用電磁感應打造無障礙社會

目前台灣在國家兩廳院服務台、國家圖書館教室與演講廳、宜蘭演藝廳都有提供感應線圈的服務13-15,然而國內有提供這項服務的場域仍不常見。特別是在車站、機場或商店等回音很重又吵雜的場所,我們通常得要很仔細聽班機/車次廣播資訊才能依稀辨別,更別說對聽損人士而言這樣的困擾會更加倍增;若在這個時候可以有T功能可以使用,相信他們就能更輕鬆的聽到廣播。

英國地鐵的 T 線圈服務,讓聽損人士可以輕鬆聽到廣播訊息,降低因環境吵雜而產生的焦慮感。
圖/AV Magazine

從每天都在使用的悠遊卡、行動支付、電磁爐到聽覺無障礙設施,在生活上的電磁感應應用可能比你想得還多,這些發現與發明提升了我們的生活品質,讓生活更加便利。今天通勤的路上也可再仔細觀察看看,還有哪些產品或服務是使用電磁感應呢?

  1. 【基礎】電磁感應
  2. 麥可‧法拉第
  3. RFID 與 NFC 技術有什麼不同?
  4. 從悠遊卡到 Apple Pay:漫談 RFID 與 NFC 技術
  5. https://kknews.cc/zh-tw/tech/6k9xyxl.html
  6. RFID原理與應用
  7. 電磁爐 (Electric Oven)
  8. 電磁爐
  9. T-Coils: Getting The Most Out Of Your Hearing Aid
  10. Harvey Dillon(2019). 助听器:第二版(胡向阳)。北京:华夏出版社(原著於2012出版)
  11. How New York City Hears People With Hearing Loss
  12. Hearing Loop
  13. 雅文基金會臉書
  14. 無障礙服務|國家兩廳院
  15. 國立臺灣圖書館——聽障服務
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雅文基金會提供聽損兒早期療育服務,近年來更致力分享親子教養資訊、推動聽損兒童融合教育,並普及聽力保健知識,期盼在家庭、學校和社會埋下良善的種子,替聽損者營造更加友善的環境。