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在電流之戰後:「電力」如何改變了全人類的生活?──《光之帝國:愛迪生、特斯拉、西屋的電流大戰》

商周出版_96
・2018/01/23 ・3575字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 532 ・七年級

為何我們挑選了這本書:
在十九世紀末,美國三位傳奇人物與「電能」的發展息息相關:最著名的夢想者與發明家湯瑪斯‧愛迪生、對發電和電力輸送有革命貢獻的電力奇才尼古拉‧特斯拉、創建多家公司的發明家和企業家喬治‧西屋,《光之帝國:愛迪生、特斯拉、西屋的電流大戰》主要介紹了這三位人物成功、失敗以及彼此的宿怨,美國企業史上最獨特的惡鬥「電流之戰」於此展開。

電究竟是什麼?是「微妙、活躍的液體」嗎?當電力變得更普遍、更可靠、更實用時,由三位普羅米修斯──愛迪生西屋特斯拉──最早提出的夢想已經實現了。

快速進入工業生產的電力系統

尼加拉發電站建成後,發電機數量不斷增加,僅在一九〇二年就提供美國全部電量的五分之一。正如歷史學家大衛.奈伊(David E.Nye)《充電的美國》(Electrifying America)所述,一九一〇年時,美國的工商業熱切期望讓電融入他們的日常工作,以迅速提高生產力。到了一九四〇年,電力已在社會中普及,美國的生產力提高了百分之三百。

愛迪生的傳記作家馬修.約瑟森計算過,像汽車製造商亨利.福特的那些流水線生產工廠,效率明顯提高了百分之五十。而且電絕不僅應用於一種領域,它大大提升了人類的生活水準。電的成本也由於發電效率提高而逐漸下降。在一九〇二年,中央發電站產生一度電需要七點三磅的煤;到了一九三二年,煤用量下降到一點五磅。

電力的普及對人類的生活造成重要的影響。圖/blickpixel@pixabay

電力進入住宅:做家務變便利、收音機提供娛樂

然而住宅電力服務系統的發展卻要慢上許多,因為電力公司首先關注能得到更大利潤的商業用戶。此外也由於早些年用電還很奢侈,因為它比煤氣貴很多,而且不夠安全。全美國內在一九〇七年僅有百分之八的人住在有供電的房子裡。數字到一九二〇年有增加,但也只有百分之三十五。隨著供電系統改進,成本下降,美國人對家庭電力需求的呼聲也像商界一樣高漲。到了一九二〇年代,主要大城市如芝加哥,已有百分之九十五的家庭用上了電。到了一九三〇年,美國的都市家庭已普遍認識電力普及的意義,即使在中西部的中等城市如蒙夕、印第安那等地,百分之九十五的家庭已用上電。

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同樣有說服力的是那些節省體力的現代化設施都離不開電,比如電熨斗、吸塵器(一九一九年銷售了七十五萬台)、洗衣機、烤麵包機和熱水加熱器。在愛迪生盤算著如何建立第一個電網後僅僅三十年,電已經成為整個美國都市生活的日常。許多妻子辭掉了女傭,自己做起容易許多的家務。

生活中的大小家電都需要用電!實在沒辦法想像沒有電的生活啊。圖/Smoth 007 @wikipedia

儘管電燈和洗衣機很方便,也沒能像一九二〇年代初期收音機進入家庭時所帶來的巨大變化和喜悅,但這是第一次,正如特斯拉曾經斷言,人們能夠接通距離遙遠的世界,從一個大木盒裡收聽到生疏的聲音。現在,當球隊到城外去比賽,總統要發表演說,或是一位著名女高音要在紐約演唱,美國人都能跟蹤這些事件。廣播劇令他們著迷,笑話讓日子變輕鬆。

在十年之內,幾乎每個(用電的)美國家庭都有一部無線電收音機,這難道不令人吃驚?如果說無線電對國家團結和激勵少年成長有重大影響,這也許是言過其實,但是電的力量確實讓人能分辨出事物的重要與輕微、宏偉與愚蠢。

若是說到廣播演說,莫忘羅斯福的「爐邊談話」啊。圖/Hohum@wikimedia

推展鄉村電氣化

由於電在早先幾十年中純粹被當作商品,所以內陸地區的居民很少有機會使用電。例如截至一九三四年,全國只有十分之一的農場有電,因為電的服務是由利潤多寡來決定。羅斯福總統率先提出一個觀念:遠離城市的農民也應該和住在城市與鄉鎮的美國人一樣享受用電的益處。(由於長期以來完全被視為謀取經濟利益的商品,所以民用電力設施建設停滯不前。)

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新的安排隨著政府支持鄉村電氣化而向前進展,但是由於帶電的高壓線要橫跨高山和草原進入遙遠的農莊,美國政府花費了二十五年的時間才結束了內陸居民長期依靠蠟燭和煤油燈照明的歷史。在這幾十年當中,電成為現代文明的生命血脈,它的價格幾乎下降了一半,而且,農場主很快就和商人與家庭主婦一樣,用電來做各種繁重的勞動。

羅斯福在那一次次的談話中,穩定了民心,也藉此傳達政策內容,其中也包含了「鄉村電汽化」。圖/Social Security Online@wikipedia

電力的使用永遠改變了我們的生活

雖然電為我們帶來極大益處,賜予我們眾多神奇的禮物,但是它的存在不可避免帶來一些弊端(雖然僅僅是少量),不可否認的是我們的世界被各種各樣機器帶動,變得比以前吵鬧,到處是馬達和發電機的嗡嗡聲、隆隆聲和引擎的轟鳴,持久用電帶來了噪音。

自然界的聲音如草原的寧靜,都被人造嘈雜聲淹沒。經過幾十年的工業發展,曾經群星閃爍的美國夜空已逐漸被人造電燈替代。如今,當夕陽西下,夜幕降臨,世界不再是一片漆黑,而是呈現一片黃灰色,尤其是地平線上緣。因此人們很難且經常看不到天上的群星了。在《充電的美國》一書中,有人哀歎道:

「處於機器時代的我們給自己帶來了夜間的敵人,現在夜晚也不再像它原先的樣子……今天的文明社會充滿這樣的人,他們對詩情話意情調的夜晚絲毫沒有概念,甚至沒有見過真正的夜晚」。

圖/Free-Photos@pixabay

電方便人們管理生活,但也打破了大自然時間和季節的節拍和韻律。工作與家庭生活的寧靜就像消失的自然光線一樣不復存在,也不再有家人圍聚在壁爐前取暖和照明的情景了。男女老少多退縮到他們舒適方便的家裡,或被迫越來越常在照明良好的辦公室和工廠裡辛苦工作。

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電氣設備的興起,如無線電收音機、電影、電視、影片、電腦和網際網路,意味著這一階段生活水準的提高,不過人們透過螢幕被動地感受生活,看到與觀察到的活動都是別人的。而在過去,欣賞或參加音樂、戲劇、舞蹈、政治活動、演講或運動會的人都是實際參與或是當現場觀眾。十九世紀的人類經驗是第一手的、親身的、直接的、真實可靠的,除了那些書面文字和圖像,包括繪畫和照片。電為我們帶來豐富多彩的新經驗,但其中更多是間接經驗。

電器的使用,改變了人們的娛樂與一般生活。圖/mojzagrebinfo@pixabay

尼古拉.特斯拉活著看到他的偉大發明、他送給人類的偉大禮物傳遍大地,正如他所期望照亮了家庭,活躍了社會,振興了整個國家。儘管晚年生活艱辛且挫折,但永遠是理想主義者的特斯拉說:

「我不斷體驗到無法用文字表達的滿足,那就是我的多相(交流電)系統已被全世界使用,減輕了人類的束縛,並帶來舒適與幸福。」

鐵路和電報發展改變了舊時代長期以來對距離和時間的觀念,蒸汽機暗示了機器創造能量的潛力。電解開了第二次工業革命的韁繩,賜予人類難得的財富:由於黑暗,我們曾經損失了數不清的時間;由於繁重辛苦的勞動,我們失去了更多時間。沒有了這些損失,人類認識周圍世界的能力和想像力得以充分釋放發揮。

如今,即使我們承認失去了十九世紀的親密與真實,遭受不間斷的雜訊侵擾以及機械化對現代生活的衝擊,但是,電的到來大大拓展了人們對時間、能量和可能性的感知力。

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電的力量確實偉大。

 

 

 

本文摘自泛科學2018年1月選書《光之帝國——愛迪生、特斯拉、西屋的電流大戰》,商周出版

 

 

 

 

 

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從奈米微塵到化學氣體, HEPA 與活性碳如何聯手打造純淨空氣?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/04/17 ・4433字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文由 Amway 委託,泛科學企劃執行。

很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網
在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢 / 圖片來源:envato

到底怎樣才算是「乾淨」?這不是什麼靈魂拷問,而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞,甚至能成為台積電(TSMC)決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中,雖然不需要生產精密晶片,但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密,卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康,你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此,空氣議題早已超越單純的環保範疇,成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

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很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是同一件看起來平凡無奇的東西:一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信,就憑這層厚度不到幾公分的板子,能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎?

這片大家都聽過的 HEPA 濾網,裡面到底是什麼?

首先,我們必須打破一個直覺上的誤解:HEPA 濾網(High Efficiency Particulate Air filter)在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5,是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物,它們能穿過呼吸道直達肺泡,並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本,在工廠與汽車尾氣中,還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1,甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」(UFP,即 PM0.1)。 UFP 不僅能輕易進入血液,甚至能繞過血腦屏障(BBB),進入大腦與胎盤,其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣,單靠孔目大小來「過濾」粒子,那麼為了攔截奈米微粒,濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡,一般人認為的「乾淨」,在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米3 奈米(相當於頭髮直徑萬分之一)的晶片而言,空氣中一顆微小的塵埃,就是一顆足以毀滅世界的隕石。

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因此,傳統的過濾思維並非治本之道,我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形,最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身,誕生於曼哈頓計畫!

1940 年代,製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而,若將排氣直接排向大氣,會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾(Irving Langmuir),他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」(Absolute Filter),其內部並非有孔的篩網,而是石綿纖維。

有趣的來了,如果把過濾器放到顯微鏡下,你會發現纖維之間的空隙,其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢?這是因為在奈米尺度下,物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時,並非走直線,而是會受到空氣分子撞擊,而產生「布朗運動」(Brownian Motion),像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時,布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動,最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時,靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客,就這樣被永久禁錮迷宮中。

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現在最常見的 HEPA 材料,是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間,它們在濾網內隨機交織,像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後,並非僅僅面對一層薄紙,而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層,微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外,HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵,那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀,中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐,目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒,而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺:過濾不是越快越好嗎?

其實,這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管,如果你捏住出口,水流會變得湍急;若將出口放開並擴大,雖然總出水量不變,但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言,當表面積越大,單位面積所需承載的空氣量就越少,空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久,增加被捕捉的機會。此外,越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」,延長了使用壽命,這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

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然而,即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter),但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ,其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物,去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念?塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子,大小約在 2 至 200 微米;細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米,細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」,大多數的病毒(如流感、新冠病毒)都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說,基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上,它更獲得英國過敏協會(Allergy UK)認證,能有效處理 19 大類、102 種過敏原,濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」 / 圖片授權:Shutterstock

然而,同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中,硼是常見的 P 型摻雜物,用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕,進而釋放出極微量的硼離子,就可能直接污染晶圓,改變其導電特性,導致晶片報廢。

此外,無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA(超低穿透率空氣濾網) 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中,任何多穿透的一顆微塵,都代表著一筆不小的經濟損失。

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為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率,材料學家搬出了塑膠界的王者,PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕,還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維,其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕,但它既昂貴且物理上也很脆弱,安裝時若不小心稍微觸碰,數萬元的濾網就可能報銷。因此,你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此,在空氣濾淨系統中,還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網,就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附?

好不容易將微塵擋在門外時,危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王:AMC(氣態分子污染物)

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒,但面對氣態分子時,就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般,能輕易穿過物理濾網的縫隙,其中包括氮氧化物、二氧化硫,以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物(VOCs)。

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為了對付這些幽靈,我們必須在物理防線之外,加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同,這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理(Impregnation)」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質,在活性碳上添加不同的化學藥劑:

  • 酸鹼中和:對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體,會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑,透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之,如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑,就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
  • 物理吸附與凡德瓦力:對於最麻煩的有機揮發物(VOCs,如甲醛、甲苯),因為它們不具酸鹼性,科學家會精密調控活性碳的孔徑大小,利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力(凡德瓦力),像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。
活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附? / 圖片來源:Amway

空氣濾淨的終極邏輯:物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境,活性碳的運用並非「亂槍打鳥」,而是一場極其精密的對戰策略。

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工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告,像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝,打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區(Photolithography),晶圓最怕的是人體呼出的氨氣,此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和;而在蝕刻區(Etching),若偵測到酸性廢氣,則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯,是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中,雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析,但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯,正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網,更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳,科學界有個關鍵指標:「比表面積(Specific Surface Area)」。活性碳的孔隙越多、表面積越大,其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳,並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理,打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克,但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字,相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積,是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是,它還添加了雙重觸媒技術,能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線,能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體,或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來,成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說,無論是造價百億的半導體無塵室,還是守護家人的空氣清淨機,其背後的科學邏輯如出一轍:「物理濾網攔截微粒,化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作,空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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從 3G 到 6G:行動通信的進化之路
數感實驗室_96
・2024/06/20 ・825字 ・閱讀時間約 1 分鐘

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本文由 國立臺灣師範大學 委託,泛科學企劃執行。 

摩斯發明電報和貝爾發明電話,這些似乎是上古時代的科技,其實都發生在過去兩百年內。而手機,作為近五十年來的產物,又經歷了怎樣的演變呢?

讓我們來探討行動通信是如何從 3G 發展到 6G 的。

1989 年,一張名為《The Great Radio Controversy》的搖滾專輯發布,迅速走紅,登上告示牌熱門榜。雖然專輯的歌詞與通信無關,但它的名字「偉大的無線電爭議」確實讓人聯想到無線通信的歷史。而這張專輯的樂團名為 Tesla,沒錯,這正是向那位傳奇的天才科學家特斯拉致敬。特斯拉對無線通信的貢獻可謂奠基石般的重要,而從 3G 到 6G,行動通信技術又經歷了哪些突破和變革呢?讓我們一起深入了解。

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行動通信的歷史雖然只有短短幾十年,但其中包含的豐富內容實在說不完。從精彩的發明故事到商業競爭,再到行動通信所帶來的社會變革,每一個環節都值得深入探討。而在這集影片中,我們僅僅觸及了冰山一角。

下一集將深入探討 WiMAX 那成功的哥哥——Wi-Fi,也就是大家熟悉的無線區域網路技術。讓我們繼續探索這些改變世界的科技!

更多、更完整的內容,歡迎上數感實驗室 Numeracy Lab 的 YouTube 頻道觀看完整影片,並開啟訂閱獲得更多有趣的資訊!

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數感實驗室的宗旨是讓社會大眾「看見數學」。 數感實驗室於 2016 年 4 月成立 Facebook 粉絲頁,迄今超過 44,000 位粉絲追蹤。每天發布一則數學文章,內容包括介紹數學新知、生活中的數學應用、或是數學和文學、藝術等跨領域結合的議題。 詳見網站:http://numeracy.club/ 粉絲專頁:https://www.facebook.com/pg/numeracylab/

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電磁波全揭秘:了解頻帶、頻寬、頻率和通信技術的基礎知識
數感實驗室_96
・2024/06/13 ・672字 ・閱讀時間約 1 分鐘

本文由 國立臺灣師範大學 委託,泛科學企劃執行。 

先前我們介紹了多位為通信科技發展做出貢獻的科學家。現在,我們要深入探討無線通信的技術層面。

無線通信,顧名思義不像傳統的電話或電報那樣需要一條實體的線路來傳遞信號。但這些信號並非憑空傳遞,它們依賴的正是電磁波。

電磁波在現代社會無處不在,從微波爐、手機到基地台,這些設備都會發射電磁波。但其實即使沒有這些科技裝置,電磁波依然存在於我們周圍。什麼意思呢?答案就是:當我們白天走到戶外,看到的光,它其實也是電磁波的一種。

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希望大家掌握了這些電磁波、頻帶、頻寬等基礎知識後,未來在閱讀相關的電信新聞時更加了解他們提到的術語,以及各種縮寫。以後無論是科技發展的動態還是市場新技術,都能更有概念地理解。

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