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如何利用電磁波看穿建築物、橋樑等「混凝土結構物」的結構?

活躍星系核_96
・2018/02/14 ・3281字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 572 ・九年級

  • 文/游子揚 │ 美國麻州大學洛爾分校(University of Massachusetts Lowell)土木與環境工程學系副教授/副系主任
水泥結構物已經充滿我們的都市生活。 圖/MikeCleggPhoto @Pixabay

自從赫茲(Heinrich Hertz)在十九世紀末以實驗證明馬克士威(James Clerk Maxwell)電磁波動方程式之後,電磁波在科學與工程方面的各種廣泛應用,已經完全改變了我們理解世界的方式、日常生活的方式以及社會文明的演進。從天體物理學、手機通訊到家用微波爐,我們的生活已經幾乎不能沒有電磁波的存在。在還沒有更精確的研究證明過度使用電磁波對人體有害之前,可預期我們的生活中將會有更多與電磁波有關的相關應用。

而在土木工程領域裡,也有許多與電磁波有關的應用,例如:早期的工程材料檢測與地質探測,還有現今的遙感量測(remote sensing)、結構健康監測(structural health monitoring, 簡稱SHM)與非破壞性檢測(nondestructive testing/evaluation, 簡稱NDT/E)等等。電磁波之所以能夠適用於土木工程結構的原因在於,大部分的土木工程材料屬於介電材料(dielectric material),例如波特蘭水泥混凝土(Portland cement concrete)、瀝青材料(bituminous material)以及岩石土壤,電磁波能夠在這些材料中傳導、穿透以及散射,這樣的特性提供了土木工程師與研究人員瞭解土木工程材料與結構的不同視角。

什麼是混凝土結構物?

在深入了解電磁波應用在土木材料之前,我們先來認識什麼是「混凝土結構物」?

顧名思義,混凝土結構物就是指利用混凝土所建造的工程結構物,例如:房屋、橋樑、隧道、機場、管線、水壩等等。這裡所謂的「混凝土」指的不是歷史上的埃及混凝土(約公元前 2700 年)、中國混凝土(約公元前 1600 年)、亞述混凝土(約公元前 1100 年)、希臘混凝土(約公元前 600 年)、巴比倫混凝土(約公元前 400 年)或是羅馬混凝土(約公元前 230 年)。而是指由約翰 ‧ 斯密頓(John Smeaton,1724~1792)、詹姆斯 ‧ 弗洛斯特(James Frost,1780~1840)、勘維斯 ‧ 懷特(Canvass White,1790~1834)、約瑟 ‧ 艾斯普丁(Joseph Aspdin,1778~1855)、艾薩克 ‧ 查爾斯(Isaac Charles Johnson,1811~1911)、大衛 ‧ 賽勒(David Saylor,1827~1884)等人所研發的「波特蘭水泥」所形成的「波特蘭混凝土」。其名稱「波特蘭」的由來,是英國人 Joseph Aspdin 所定,源自於這種人造石與英國南部波特蘭島上的石灰石顏色十分相近的緣故。

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幾位對波特蘭混凝土的發明與製造有貢獻的土木工程師。由左至右分別為:詹姆斯 ‧ 弗洛斯特(James Frost,1780~1840)、勘維斯 ‧ 懷特(Canvass White,1790~1834)、約瑟 ‧ 艾斯普丁(Joseph Aspdin,1778~1855)、艾薩克 ‧ 查爾斯(Isaac Charles Johnson,1811~1911)、大衛 ‧ 賽勒(David Saylor,1827~1884)。 圖/作者提供

波特蘭混凝土的組成包括波特蘭水泥、拌合水(或可飲用的水)、細骨材(砂子)、粗骨材(礫石)、天然或是人工的添加物。當把自來水加入波特蘭水泥並開始攪拌之後,會產生水泥的水化反應(cement hydration);水化反應所形成的水泥漿(cement paste)在黏結粗細骨材之後,就形成了混凝土。而添加物的作用在於改善混凝土的各種性質,從施工、養護、強化、防蝕、到抗凍等等。波特蘭混凝土是世界上使用最多的工程材料,不過它的製程也會產生大量的二氧化碳;根據美國環保署(EPA)的估計,製造一公噸的混凝土會產生大約一公噸的二氧化碳。

波特蘭混凝土以及其主要組成材料。 圖/Concrete Education

由於混凝土的抗張強度(tensile strength)僅有其抗壓強度(compressive strength)的百分之七到百分之十一左右,通常土木工程師會在混凝土當中加入鋼筋,以提升混凝土的承載能力。這種複合結構(composite structure),也就是所謂的鋼筋混凝土(reinforced concrete 或 RC)結構。在橋梁工程上,土木工程師會另外使用高強度鋼纜或鋼索,變成所謂的預力混凝土(prestressed concrete 或 PC)結構。大部分的混凝土結構物都有使用鋼筋或鋼纜,僅有少數的混凝土結構不使用鋼筋或鋼纜。

鋼筋混凝土樑結構與預力混凝土樑結構示意圖。 圖/左:by Håvard Vasshaug。右:by Eriksson Software

如何看穿混凝土結構物?透地雷達 v.s. 成像雷達

由於土木工程結構物大多都是為社會大眾服務的公共工程,一旦突然損壞很可能會造成人員傷亡、財產損失以及昂貴的社會成本,因此定期維修保養是非常重要的;如果能看穿混凝土結構物的話,便能讓土木工程師掌握結構物的狀態,以便進行及時、有效的維護,避免結構物的突然損壞。

目前大部分的土木工程檢測科技仍停留在表面方法(例如目測)、局部性的內部探測(例如埋入式的單點感測器)或是超音波探傷檢測,而利用電磁波的方法主要是透地雷達(ground penetrating radar 或 GPR)與成像雷達(imaging radar)。在成像雷達的領域中,有一個相對較新的技術稱為「人工透鏡雷達(synthetic aperture radar 或 SAR)」。與透地雷達相比,成像雷達的優點在於體積較為輕巧,解析度可透過數值方式加強,以及非常適合遠距離的遙感測量。

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透地雷達(左)與人工透鏡雷達(右)在鋼筋混凝土橋版上的應用範例。 圖/作者提供

人工透鏡雷達看穿混凝土結構物的原理,是利用從不同位置上採集到的反射雷達訊號,進行影像疊加的處理。如此一來,可以提升雷達影像的音噪率(signal to noise ratio 或 SNR),增加探測底層損傷的成功率。與傳統的透地雷達比較,人工透鏡雷達的解析度可透過增加雷達的移動距離(增加不同位置的收取到的訊號)、增加頻寬(bandwidth)以及提高頻率(減低波長)來達成。這些彈性讓人工透鏡雷達比傳統透地雷達,在土木工程領域中的各式各樣的探測問題應用上,顯得更有競爭力。

不過也不是事事盡如人意:成像雷達的成功必須建立於在對於混凝土結構的充分瞭解(例如材料性質、內部組成)之上,以及半經驗式的訊號處理技術。透地雷達雖然比較直覺化,但是在對於深層的混凝土結構探測上,訊號分析幾乎完全是經驗式的判別,而且需要體積龐大的設備,有時也會造成檢測上極大的不便,甚至根本無法進行檢測。遠距電磁成像是目前土木工程結構檢測當中,一個非常前衛的技術。

電磁學在混凝土結構物上的挑戰與未來應用

混凝土結構物是一種多孔多相的土木工程複合結構,而電磁波與多孔多相介質的互動也是電磁學內較新的領域。要進行遠距電磁成像在混凝土結構物上的研究,基本上就是一項跨學科研究,需要下列學科的訓練:混凝土材料學、結構設計、電磁學與電磁散射理論、遙感測量、 成像理論以及介電理論等等。

能夠看穿混凝土的技術,不僅可以讓檢測大量大型土木工程結構物的工作變得更有效,如果與其他機械化的自動裝置(例如無人機)結合,更能夠提升工作效率。一旦效率提升,對於土木工程結構物的資產管理能夠減少不必要的緊急重建,也讓使用土木工程結構物的社會大眾之人身安全更有保障。此外,同樣的技術也可以應用在材料檢測,工程鑑定,地層探測,甚至考古學等領域。

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在未來科學研究方向上,像混凝土這樣一個擁有數千年文化的工程材料,我們目前對於它的長期行為還是沒有足夠的瞭解。我們並不完全清楚它的微觀結構在不同環境狀態(力學、溫度、濕度、化學以及輻射等)的共同改變下,會有怎樣的變化。還有,混凝土材料的微觀結構改變,又會造成怎樣的結構物行為變化。

土木工程從古羅馬時代發展至今,隨著人類文明愈趨複雜,面臨越來越嚴峻的挑戰。 圖/martieda @Pixabay

土木工程雖然是歷史最悠久的工程學科之一(源自羅馬帝國時期,與軍事工程同壽),但是土木工程師們所面臨的挑戰卻越來越艱鉅。社會上需要更高的建築物、更長的橋梁、更深的隧道與管道、更乾淨的空氣與水、更堅固耐久的工程材料、更環保(省能源,低碳排放量)的工程材料、更經濟的工程材料、更有效率的施工管理以及更安全的施工方式。在土木工程的領域當中,還有很多有意思,有挑戰性的研究問題,對於每個時代的人類文明都有重要價值,等待這一代與下一代的頂尖頭腦來解決。

延伸閱讀、參考資料:

  • Debye, P. (1929), Polar Molecules, The Chemical Catalog Company, New York, NY.
  • Kong, J. A. (2000). Electromagnetic Wave Theory, EMW Publishing, Cambridge, MA.
  • Bungey, J. H. (2004). “Sub-surface radar testing of concrete: A review.” Constr. Build. Mater., 18(1), 1–8.
  • Mehta, P.K., and P.J.M. Monteiro (2014), Concrete — Microstructure, Properties, and Materials, 4th  ed., McGraw-Hill, New York, NY.
  • Yu, T, J Owusu Twumasi, V Le, Q Tang, N D’Amico (2017), Surface and Subsurface Remote Sensing of Concrete Structures using Synthetic Aperture Radar Imaging, Journal of Structural Engineering, ASCE, 143(10); 1-11, doi: 10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0001730
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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不是不會髒,而是更難沾:耐污馬桶的表面科學
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/09/22 ・3364字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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本文與 Panasonic 合作,泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享,不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上,「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水,但過不了幾天,馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑,甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢(黏質沙雷氏菌)。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」,讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看,世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制,並非打造完全不沾染髒污的材質,而是調整表面的物理與化學屬性,使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力,透過日常水流沖刷,便能輕易地將髒污帶走。

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為什麼污垢「黏不住」? 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」,我們得先像偵探一樣,拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇:

  1. 水垢與礦物沉積*1:我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時,這些離子會逐漸結晶析出,變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
  2. 生物膜與有機物*2:包含尿液中的無機鹽、油脂殘留,以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物,所組成的黏滑防禦大本營。
關鍵不是沖水,而是「這些污垢如何抓住表面」

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」,前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼,材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢?答案就藏在「表面能(Surface Energy)」與「濕潤性(Wettability)」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時,水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠,還是迅速攤平開來?這取決於表面的特性:

  • 疏水路線(Hydrophobic)*1:具備低表面能的疏水表面,能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠,當水珠滾動滑落時,就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走,這就是著名的「自清潔效應」。
  • 親水路線(Hydrophilic / Superhydrophilic)*2:相反地,極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子,在材料最外層形成一層薄薄的「水化層(Hydration Layer)」。這層水化層就像是實體的液體盾牌,讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底,只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻:傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆,髒污就像攀岩者,需要找到落腳點並用力撐住才能攀附;而我們做的是抽掉把手點,或是在把手上塗上潤滑油,讓髒污找不到施力點,自然難以停留。

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材料科學的核心:想辦法讓污垢「抓不住」

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢,下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢,在微生物學中被稱為「生物膜(Biofilm)」。細菌並不是孤立生長的,當單顆細菌落在表面後,如果覺得環境舒適,它就會開始分泌胞外聚合物(EPS),這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起,並築起堅固的防禦堡壘,這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出,要阻止生物膜形成,除了化學上的抗菌,材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論(Attachment Point Theory)」:

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  1. 粗糙與微孔洞表面:如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞,細菌(體積通常約 1 到 3 微米)就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點,還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
  2. 極致平滑與微結構表面:相反地,如果材料表面做到極致平滑,完全沒有微米級的缺陷;或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構,細菌的足跡構造(如鞭毛或纖毛)就無法在表面找到穩固的「接觸附著點(Contact Points)」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時,它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外,現代衛浴結構在設計時,也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角,等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

阻止細菌、生物膜找不到「落腳點」

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何,我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系:【材料層(低附著力)】+【結構層(無縫平滑)】+【動態流體層(泡沫與水流剪切力)】= 高效清潔!

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例,就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表:

1. 材料層:有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」(以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料,這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩)。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性,水滴不易長時間攤平停留;材質堅固、不易破裂,耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試,這種素材配合泡沫洗淨,在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌,從源頭阻斷細菌定殖。

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2. 結構層:無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上,A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計,減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫,並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計:

  • 泡沫防護:在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層,有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺;
  • 外圍防護:馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔,防止液體延著外壁滴落至地板;
  • 測漏防護:便座與馬桶本體採用不外露的防護設計,避免液體從縫隙飛濺滲漏。
Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶

3. 動態流體層:雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時,A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污,再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙,徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著,配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」,利用旋轉產生的流體剪切力,一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外,Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技,釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污,維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆,但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計,到微觀幾何的附著點控制,再到流體力學的水流沖刷,一座現代抗污馬桶的演進,縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而,A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破,展示了材料科學的另一種聰明思維:不靠強酸強鹼硬打,而是透過物理與化學邏輯,將「污垢固著」的機率降到最低。

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當材料科學與現代衛浴技術結合,刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持,我們得以從繁重的家務勞動中解放,享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文:A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文:Brushing up functional materials

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用 LED 燈傳資料?探秘可見光通訊的前世今生
數感實驗室_96
・2024/06/22 ・768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。 

今天我們來聊聊一種超酷的通信技術——用 LED 燈來傳遞訊息。

你可能會疑惑,LED 燈怎麼能傳數據?其實,這背後的原理並不難理解。無線電波是電磁波的一種,而 LED 發出的「可見光」也是電磁波的一部分,只是頻率更高。既然都是電磁波,那用光來通信似乎也很合理。

光通信並不是新鮮事。早在周朝,人們就用烽火台來傳遞戰情;我們熟悉的發明家貝爾也發明過光電話(Photophone),且 1880 年 4 月 1 日,貝爾還成功地用光電話在 200 多公尺的距離上實現了通信。

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然後?就沒有然後了,光通信技術沉寂了一百多年,直到太空通信中找到了新的用途。

可見光通訊帶來了通信技術的全新篇章。當然,我們也要提到,像遙控器和一些太空通信其實用的是紅外線,但這些都和可見光屬於同一大類——電磁波通信。所以,嚴格來說,可見光通訊也是電磁波通信的一部分。

未來的世界,燈光不僅僅是照明工具,更是我們連接信息世界的橋樑。

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!

參考資料

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數感實驗室_96
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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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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

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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