當電子產品變成流行-隱藏的成本！The Story of Electronics

• 作者／賴昭正｜前清大化學系教授、系主任、所長；合創科學月刊

我們生活在一個高度依賴科學與技術的社會，但幾乎所有的人對科學與技術都一無所知。

——Carl Sagan（1934-1966）美國天文學家、科普作家

在「日常生活範式的轉變：從紙筆到 AI」一文裡，筆者談到 50 年來的科技發展完全改變了我們自己日常生活的方式，如筆者已經不再用紙筆寫文章、不在圖書館裡找資料、旅行不需要攜帶地圖、在家逛街購物、買股票不需要透過券商下單、與親友及科學月刊通訊都是瞬間達成、⋯⋯等等。最近人工智能的正式登場更可能讓人人成為寫文章高手，讓讀者懷疑這篇文章是不是筆者自己寫的。

除了這些有形的日常生活方式的改變外,事實上還有一些無形、沒有改變我們生活方式的科技正在我們家中發生的。其中最明顯的就是電視, 我們看電視的方法還是一樣, 但年輕的讀者可能不知道不管從軟體或硬體來看, 電視機已經完全不再是 1970 年代的電視機了。我們在這裡就來談談這些偷偷摸摸進入我們家庭生活的三大無形改變吧，免得被名科幻小說及科普作家薩根（Carl Sagan）嘲笑：我們生活在一個高度依賴科學與技術的社會，但幾乎所有的人對科學與技術都一無所知。

電視機

早期的電視機是由真空管及陰極射線管（CRT）組成的，體積膨大。1940 年代，半導體器件的發明使得生產固態電子器件成為可能，它比熱真空管更小、更高效、更可靠、更耐用、更安全、更涼爽、更經濟。從 1960 年代中期開始，熱電子管可以說完全被晶體管取代。然而直到 21 世紀初，陰極射線管（也是一種真空管）仍然是電視監視器和示波器的基礎。

1982 年，愛普生（Seiko Epson）發布了第一台用液晶（liquid crystal）當平面顯示器（display）的液晶電視（LCD TV）；1984 年，愛普生又發布了第一台全彩袖珍液晶電視。夏普（Sharp）於 1988 年推出第一台商用液晶電視；第一台電漿（plasma）電視於 1997 年出現。電漿電視畫面是透過顯示器上面畫素（Pixel）點發光，不是像液晶電視機在畫面後面照光，因此在畫質方面比液晶顯示器強多了，但因在價格上沒辦法競爭，早已被淘汰掉了，最近被類似的有機發光二極體（organic light emitting diode, LED）電視機取代。

除了硬體外，電視影像訊息的傳播編碼（coding）也大異於前：早期使用類比訊號（analog signal）編碼，現在則使用數字（digital）。後者在其開發時就立即被認為是自 1950 年代彩色電視出現以來，電視技術上之一項創新進步的重大變革。類比廣播到數字廣播的轉變始於 2000 年左右；經過多次及多年的拖延，美國終於於 2009 年 6 月 12 日正式取消無線類比電視廣播，台灣也已於 2012 年 7 月全面廢除無線類比電視廣播,改用數位電視。詳情請參見高畫質數位電視。

電燈泡

我們一般都將發明燈泡的功勞歸於愛迪生（Thomas Edison），事實上早在他 1879 年申請專利之前，英國發明家就已經知道用弧光燈當燈泡。但愛迪生不但將白熾燈泡商業化，並發明了將電力帶入住家所需的整個系統——發電機、電線、保險絲、燈的開關。1904 年出現了取代碳絲燈泡之更亮的新型鎢絲燈泡，1913 年發現在燈泡內放入氮氣等惰性氣體可以提高壽命，沿用至今。 

電燈照明的原理是因為任何溫度不為絕對零度的物體，總是不停地對外放出各種頻率的輻射能（見「科學家如何找到黑體輻射光譜，引發 20 世紀初的量子革命？」）。不幸的是：這些不同頻率的輻射能中只有非常少的一部分是可見光，因此利用鎢絲加熱來照明的電燈效率非常低（見「電燈的效率」）。

筆者在「太陽能與光電效應」裡探討了「二極體」（diode）的物理，其用途甚廣（如整流器及控制器等）。它可以透過光來發電製造太陽面板；它也可以透過電來發光——「發光二極體」（light emitting diode, LED）——製造上面提到之有機發光二極體電視機及二極體燈泡。因我們可以用不同材料來控制發出來之輻射在可見光範圍，所以二極體燈泡效率比傳統鎢絲燈泡高得非常多：例如前者只需 18 瓦特就可達到後者 100 瓦特（W）的亮度。加上它不使用高溫，壽命也因之比較長；但因其製造成本高，所以直到最近美國才宣布禁售傳統鎢絲燈泡，強迫使用二極體燈泡¹。

發光二極體需要在直流電下運作，一般家用二極體燈泡設計在低電壓 1.2－3.6V 之間。然而，為了變壓方便及減少輸送過程中的能量浪費（見「高壓危險」），全世界電力公司都用高電壓的交流電輸送電力，到住宅區附近的變電所後再減壓到 120-240V，因此二極體燈泡的設計非常不同於傳統燈泡：它的首要任務是將高電壓交流電降壓整流為低壓的直流電。除此之外，因固態線路特性，它也必須考慮電壓及電流的穩定、散熱等問題，因此在設計上比鎢絲燈泡複雜多了，成本也貴得多。

家庭電話

與電視機及燈泡相比，家庭電話可以說是改變最少的；事實上自從行動電話普及後，許多家庭已不再使用固定的家用電話，改變了我們日常生活的方式。但仍有不少像筆者一樣頑固的長者保留家用電話的，他們將發現：雖然現在的電話機比以前的加了很多功能，如來電顯示、留言、無線分機等,但其基本結構還是保留在 1962 年世界博覽會上首次以商品名「按鍵音（Touch-Tone）」推出的按鈕撥號（也就是說 1970 年代的電話現在還是可以用的，也還可以在市面上買到）。

傳統電話系統通話依賴於兩個節點間的直接物理連接，在通話中這條線是不能斷的。為了覆蓋廣泛的地區，任何兩點間都直接連線當然是不可能的，因此出現了稱為「電路交換」（circuit switching）的呼叫切換技術。早期的呼叫切換是由電話接線員來完成的，但隨著電話覆蓋範圍的擴大，美國電話及電報公司（AT&T）開始推出機械交換系統，人們可以從家裡手動撥打其它號碼，不再需要人工操作員接通。到 1978 年左右，完全自動化終於消滅了電話接線員這一職業。

自從互聯網（Internet）及一種可用寬頻連線進行語音通話的互聯網協定語音（voice over internet protocol, VoIP）出現後，網路語音（VoIP）電話開始慢慢侵食傳統的家庭電話。不像電視機及燈泡，事實上傳統的家庭固定電話是有其優點，如不受斷電及不穩定網路的影響等，但因網路語音電話成本較低及較高彈性，美國聯邦通訊委員早在 2022 年 8 月就宣布不再要求美國電信公司提供銅線固定電話服務，因此相信傳統的電話系統不久將在美國消失了²。

電路交換技術的一大缺點是：兩點一旦連接在一起，別人便不能再使用那整條電路³，浪費了有限的資源。現在網路語音電話的交換網絡依賴於「分組交換」（packet switching）技術。分組交換概念是波蘭裔美國工程師巴蘭（Paul Baran）於 1960 年代初提出，首先使用於美國國防部的阿帕網（ARPANET）。使用者透過網路傳送檔案時，先將檔案分割為較小的數位「資料包」（packet）形式來進行傳輸。每個資料包都有一個包括來源位址、目標位址、資料包數量和序號等的資料包頭，因此它們可以各走其獨立路線(網路節點負責指揮交通)，發送者和接收者之間沒有必要（也從未）直接連接在一起，可以充分且更有效率地利用傳輸媒體。數位資料包到達目的地後，經組合再透過數據機（modem）將數位數據轉回電話線的類比訊號，傳到傳統的電話上。

以前傳統電話因為要用實體電線接到區域交換總機，所以可以從區域號碼知道這支電話的所在地；網路語音電話只要連接到任何一個網路節點就可以，所以家用電話號碼可以隨搬家移動到別的區域（例如台北的 02 區域電話號碼可以在阿里山出現），因此區域號碼已經失去其區域的意義。

結論

這些悄悄來的家庭科技中，改變最多的是電視：在軟體（數位訊號傳輸）及硬體方面（平面顯示器）都完全擺脫了舊科技，以全新的面貌在家庭中出現；接觸過舊電視的讀者，應該不難發現影像的改進不可同日而語。燈泡則只改變硬體（二極體燈泡），網路語音電話只改變軟體（分組交換訊號傳輸）。

筆者雖然喜歡新科技，但因一則較貴，再則可能不穩定，而不願做新技術的天竺鼠（實驗對象），對新技術的接受總是很遲的；即使如此，筆者的家庭也已經全面「現代化」了。但是內人除了發現電視機不同及燈泡比以前更接近太陽光⁴外，根本不知道老公花了多少心血將狗窩現代化。

註解

1. 事實上美國早在 2007 年就頒布白熾燈泡禁令，但被川普政府撤銷，該規則於今年（2023 年）8 月 1 日才又生效。台灣經濟部宣佈 2011 年底全面禁售白熾燈，五年內全面更換成二極體燈泡。
2. 但在台灣還不流行。根據名市場研究公司 Future Market Insights 分析：全球住宅網路語音服務市場規模預計將從 2023 年的 221 億美元增至 2033 年的 678 億美元；在預測期內（2023 年至 2033 年），全球住宅網路語音服務需求預計將以 11.9% 的複合年增長率增長。
3. 只要電話不掛斷（如找資料暫停通話），電路就不會、也不能斷；因此原則上如果夠多人在同時用電話，將會將所有的電路線都佔罄了。
4. 太陽表面的溫度約在 6000^°C，鎢絲燈泡大都在 3000^°C 左右操作以增加壽命。

延伸閱讀

• 《我愛科學》（華騰文化有限公司，2017 年 12 月出版）。本書收集筆者自 1970 年元月至 2017 年 8 月在科學月刊及少數其它雜誌所發表之文章，包括本文中所提到之高壓危險（科學月刊，1976 年 5 月）、電燈的效率（科學月刊，1979 年 4 月）、太陽能與光電效應（科學月刊，2013 年 4 月）、高畫質數位電視（科學月刊，2013 年 11 月）等。
• 「科學家如何找到黑體輻射光譜，引發 20 世紀初的量子革命？」，科學月刊，2022 年 7 月號。
• 「日常生活範式的轉變：從紙筆到 AI」，泛科學，2023 年 3 月 8 日。

（本系列文章由 經濟部能源局贊助，泛科學策劃執行。）

每到逢年過節要回老家時，是否總是對三不五時發著轟轟作響的冰箱，或怎麼吹都不太涼的冷氣機感到困擾？事實上這些在祖父母家賣命了多年的老舊家電除了功能不佳，還會為我們帶來其他更大的麻煩。

當惜物美德對上高齡家電

以「農業首都」為政策目標的雲林縣，基於農業為產業主體，農業用電由農戶承擔，因此雲林的住宅部門用電略高於全國的住宅部門用電比例。此外，雲林縣較少服務業能源大用戶，而以小型用電戶為主，其服務業用電比例僅 13.07%，遠低於全國平均 19.10%。

因此，雲林縣的節電計畫從村里住戶用電著手，預算編列著重在節電獎勵、節電志工組織與種子的培訓、節電教育等，其中也包含補助採購高效率家電等設備汰換措施，試圖從改變一般民眾的用電習慣，以達成節能目標。

此外，由於青壯年人口多移居外地，雲林縣的老年人口比長年名列全台前二，截至去年底，老年人口約占總人口 16%。以高齡者為主要成員的家庭，積於對家電的惜舊心態，使得家電經常一用就是10、20年，也造成了許多家電老化造成的耗電問題。

老舊家電如何偷走你的錢

就從家裡的電冰箱說起吧！冰箱的壓縮機、馬達、冷媒系統老化通常是耗電增加的主因，其徵兆則會有製冷效果減低、冷度不夠、發出噪音等；若冷度相對變冷，可能是溫度感應器故障導致；冰箱門磁條老化後密合度不足，導致冷氣外漏，這些皆是因電器老舊產生的額外耗電量。

即使電器有定期保養，隨著使用時間日久，依舊會有效能下降的情況。不同電器有不同能源效率的指標，如冷氣以 EER（Energy Efficiency Rate, EER）代表冷氣能力與消耗電力的比值，而電冰箱經常以能源因數值（Energy Factor, EF）代表其使用效率，單位為公升 / 度 / 月，也就是每月消耗 1度電所能使用的容積大小。

根據台北市產業發展局的研究數據，冰箱使用 10年效率衰退 20%、15年衰退 50%、至 20年衰退100%；洗衣機、冷氣、冰箱等家電的平均使用年限約在 8 – 12年間。超過使用年限的電器年平均耗電量，高達能效 1級的家電產品的 2.5倍之多！

住宅家電老舊不僅反映在效能的減低，也反映日新月異的電器技術，對能源消耗有明顯的程度差異。相關研究從案例分析中發現，使用 14年的老舊冰箱與使用 3年的的新式變頻冰箱，耗電量差距可達到 2.5倍。

工研院針對老舊冷氣機能源效率衰退的研究中，發現冷氣機每多使用一年，其 EER值衰退 0.8％，超過 10年後則急遽下降。僅管電器保養有助於能源效率的改善，但成效遠不及符合節能標章的產品。

不只為了節能，也要兼顧公平

有鑒於對老舊家電高耗電議題的重視，加拿大最大的電力供應商：魁北克水電公司（Hydro-Québec）指出老舊電冰箱的最高耗電量，可能會比一台新的、符合能源之星（ENERGY STAR）標章認證的冰箱還要高出 4.8倍！所以他們提出了針對低收入戶的老舊冰箱汰換計畫，希望透過提供老舊冰箱汰舊換新的機會，幫助經濟狀況較不自主的住戶也能達到家庭電器節能、減低排碳的目標。只要符合各區域低收入戶的資格，以及「高齡」冰箱的定義──2001年前製造的老舊冰箱，就能以低廉價格購入符合節能標章的全新冰箱！

節能後浪推前浪

隨著政府持續推廣能源標章、設置器具容許耗用能源基準、以及能效分級等策略，高耗能的電器產品會逐漸被市場淘汰，民眾也能透過能效分級的區分了解產品耗能程度。

下次在煩惱要如何降低電費時，不妨先想想家中有哪些老舊家電需要更換，不僅可以汰舊換新，更何以未節能減碳出一份力，一舉數得！

參考文獻：

• 台北市政府產業發展局，省1度，節能GO
• 經濟部能源局，家庭節約能源寶典
• 林妤蓁、蔡惠芳(2012)。家庭用電模式與節能減碳策略之探討。台南：2012第十屆資源與環境管理學術研討會
• 加拿大低收入戶冰箱汰舊換新計畫
• 黃達海、傅孟臺、蘇捐儀、廖文華、高淑芳、陳永棟(2010)。老舊冷氣機能源效率衰退試驗研究。工業技術研究院。
• T.M.I Mahlia (2004). Methodology for prediction market transformation due to implementation of energy efficiency standards and labels. Energy Conversion and Management, 45, 1785-1793.
• 何叔憶(2013)。探討住宅與服務業部門能源效率管理措施。工業技術研究院。

從電動刮鬍刀到電腦，高壓電塔到手機基地台，我們生活中充滿了各種會產生電磁場的設備與儀器。他們產生的電磁場有多強？距離多少又是安全的呢？請看世界衛生組織的介紹。

家居中的電器

輸電和配電設備產生的背景電磁場強度

電力需要使用高電壓的電力傳輸線傳輸很遠的距離。變壓器可以將高電壓轉換為低電壓，用於本地居民和商業機構的電力分配。電力傳輸、分配設備、家用電線及電器是家中背景磁場的主要來源。在遠離電力線的住戶中，背景電磁場強度可以達到0.2 µT。直接在高壓線的下方，電磁場的強度還會更大，地面的磁通量密度可以達到幾µT。在電力線下方的電場強度則高達10 kV/m。然而，電場和磁場強度會隨著與電力線的距離增加而銳減。在50米到100米的距離，電磁場的強度通常會和遠離高壓輸電線的區域的強度差不多。此外，相比於房屋外面同樣地點測到的值，房屋的牆壁可以明顯降低電場強度。

家居中的電器

通常最強的電場都是出現在高壓輸電線下方。相對來說，通常最強的磁場通常很靠近電器，以及某些特殊的設備－像影像醫學使用的核磁共振儀。

距離家用電器較近時典型的電場強度值（距離30釐米）來自德國輻射安全聯邦辦公室，1999年

在不同距離，很多人看到各種家用電器周圍的磁場強度值時，應該會感到很驚訝。磁場強度的大小與設備的大小、複雜程度、用電多少、和產生噪聲多少都沒有必然聯繫。不僅如此，就算表面上相似的設備之間，磁場的強度會非常的不同。比方說，一些吹風機的周圍會有非常強的磁場，其他吹風機可能就幾乎不會產生任何磁場。磁場強度的不同與產品的設計有關，下面這張表格顯示了一些家居和工作場所常見的電器的典型數值。測量是在德國進行的，所有的這些電器都是工作在50Hz的交流電下。值得注意的是，實際的暴露值會隨著產品的品牌型號和使用距離變化很大。

大多數家用電器在距離30公分的磁場強度，都在安全標準的限值100µT以下，正常的使用距離用粗體標示。（來源：德國輻射安全聯邦辦公室，1999年）

這張表格主要說明了兩點：第一，各種電器周圍的磁場強度都會隨著你遠離它們而驟減。第二，大多數的家用電器不會在非常靠近身體的時候工作，在大多數家用電器周圍30公分的距離，比安全標準上限100µT（50Hz）（60Hz是83µT）低100倍以上。

電視機和電腦屏幕

電腦螢幕和電視的原理類似。都會產生靜電場和不同頻率的交流電磁場。

一些筆記型電腦和桌上型電腦使用的LCD螢幕沒有增加電場和磁場的強度。現代電腦配備的導電電腦螢幕，可以將螢幕產生的靜電磁場強度降低到正常的背景電磁場範圍。在正常使用的距離（距離螢幕30公分到50公分），交流磁場的磁通量密度通常小於0.7µT，正常使用距離的交流電場強度範圍從1 V/m以下到10 V/m不等。

微波爐

家用微波爐會以很高的功率工作。但是有效的遮蔽使得微波爐外的電磁場降到無法偵測到的強度。不僅如此，放射出的微波隨著與微波爐距離增加而驟減。很多國家都規定生產微波爐在運作時放出的電磁場強度最大值，符合生產標準的微波爐不會對用戶造成任何危害。

無線電話

相較於手機，無線電話工作產生的電磁場強度小很多。這是因為它們只在距離家中機座天線非常近的距離內使用，不需要很強的電磁場來遠距離發送信號。所以這些設備周圍的電磁場大小可以忽略不計。

環境中的電磁場

雷達

雷達會發射出微波訊號脈衝，用於導航、天氣預報、軍事和其他很多的應用。儘管平均功率可能比較低，脈衝中的最大功率可以很高。很多雷達會旋轉和上下移動，也就降低了雷達附近的居民暴露在電磁場下的平均功率密度。

保全系統

商店或圖書館的防盜標籤，會被出口的通電線圈探測到；當商品被購買或者書籍被借閱，標籤就會被去掉或者消磁。線圈產生的電磁場一般不會超過安全標準。訪客管制系統中，具有磁性的鑰匙圈或識別證也是以類似的方式運作。金屬探測器和機場安檢系統會產生強度高達100 µT的強磁場，距離探測器很近的時候，磁場強度會接近甚至偶爾超過安全準則限值，但短期的暴露並不會影響健康。

列車和電車

長途列車會有一個或者多個與旅客車廂分開的發動機車廂，因此乘客暴露的電磁場主要來源於列車的供電系統。長途列車乘客車廂的磁場強度在接近地面的時候可以達到幾百µT，在車廂內其他位置會有偏低的值，大約幾十µT，電場強度可以達到300 V/m。居住在鐵路沿線的居民會遇到上方供電線產生的磁場，強度不同國家有所不同，一般會與高壓電線的磁場強度相當。

一些列車和電車的發動機位於乘客車廂地面的下方，在發動機正上方最近的車廂地面區域，磁場強度可以達到幾十µT。強度會隨著與車廂地面的距離增大迅速減小，乘客身體上部暴露的強度已經大大降低。

電視和收音機

當你在選擇收音機收聽的電台時，是否想過熟悉的縮寫AM和FM代表著什麼？收音機信號因為訊號傳播方式不同，分為調幅（AM）和調頻（FM）兩種；調幅廣播用來遠距離傳播信號，調頻廣播覆蓋較侷限的區域，但是會提供更好的聲音質量。

調幅廣播由很大的天線陣列來發送信號，可以達到幾十米高，發射場所禁止民眾進入。在天線和電纜附近的暴露強度很高，但是這只會對工程人員有影響，並不會影響一般居民。

電視和調頻廣播天線比調幅廣播天線小很多，以陣列的形式安裝在高塔的頂部。塔的本身只作為支撐結構。在塔底附近的暴露強度在安全標準限值內，民眾可以進出電波塔附近的區域。不過偶爾小型的本地電視和廣播天線會安裝在建築的頂部，是這樣就有必要限制人員進出屋頂。

手機和手機基站

手機這種低功率的發射裝置，需要和定置的低功率基地台所組成的網絡之間傳遞訊號。每個基地台訊號對局部的區域覆蓋，按照需要處理的通話數量，在城市裡相隔幾百公尺建置，而在農村地區則可以相隔幾公里。

基地台通常安裝在建築頂部，或者在15到50公尺高的塔上。從某個基地台向外放出的信號強度並不固定，會隨著通話的次數和通話者距離基站的距離改變。天線會發出很窄的一束電波，沿著幾乎與地面平行的方向散開，所以地面及民眾可以進入的區域，電磁場強度遠低於危險值，只有在接近天線正前方1到2公尺的距離時，才有可能被超過安全標準。在手機普及之前，民眾接觸的電波輻射主要來自於廣播和電視發射台。就算是今天，由於民眾可以進出的區域中，基地台訊號強度通常遠低於廣播、電視發射台區域中的強度，手機基地台幾乎沒有增加我們電磁波暴露的總量。

但是，手機用戶暴露的電磁場強度比環境中的高出很多。手機使用時距離頭部很近，所以相對於全身，使用者頭部吸收的能量的分佈必須被檢驗。目前藉由模擬測量的相關研究，頭部接收的能量沒有超過安全標準。

暴露在手機頻率電磁場中還有其他經常被討論的隱憂，包括會對人體細胞的致癌風險，或者干擾神經細胞，進而影響大腦和神經系統的功能。然而，綜合目前既有的證據來看，並不認為使用手機會因為電磁波而影響人體健康。

生活中的磁場真的那麼強嗎？

近年來，很多國家的政府部門都有監測居住環境中的電磁場強度，卻沒有一項資料顯示測量到的電磁場強度會對健康帶來負面影響。

德國政府最近測量了2,000名不同的職業的民眾，每日電磁場暴露的情況。所有受測者24小時都戴著測量器，測量的結果各不相同，但是平均每天的暴露量是0.10 µT，遠低於民眾暴露標準上限100 µT、職業的暴露限值500 µT。不僅如此，城市中心區與農村地區的居民，接收到的電磁波沒有明顯不同；居住在高壓電線附近的居民的暴露量和其他居民的暴露量差異也很小。

總結：

1. 家庭中背景電磁場主要來自於電力傳輸、分配設備以及家用電器。
2. 不同電器產生的電磁場強度會明顯不同，電場和磁場的強度都會隨著與電器距離的增大而驟減。在各種情況下，家用電器周圍的電磁場強度遠遠小於安全準則的限值。
3. 在電視機和電腦螢幕正常的使用距離，電場和磁場強度只有安全標準值的萬分之一到千分之一。
4. 符合標準的微波爐不會對健康造成威脅。
5. 只要公眾不近距離接近雷達設施、廣播天線和手機基地台，就不會接收到超過安全標準強度的發射電磁場。
6. 手機的發射電磁場強度比日常居住環境中的其他電器都高出很多，但即使這樣，也沒有達傷害健康的強度。
7. 很多調查顯示，日常居住環境中的電磁場強度非常小。

本文編譯自世界衛生組織英文網站About electromagnetic fields

關於這個流言的更多討論，請見流言百科條目《連續三次使用電吹風的輻射累積量等於照一次X光》。

轉載自果殼網