富蘭克林放風箏 │ 科學史上的今天：06/15

歐姆定律：電流與電壓的完美協奏

川村老師，請用簡單的方式告訴我「歐姆定律」是什麼？

老師：的方式會使電流變弱。電阻定律告訴我們，金屬導線的電阻 R 與長度 L 成正比，也就是導線愈長，電阻愈大。相反的，截面積 S 愈大，電阻愈小。

貓咪：能捲太多圈嗎？喵！

老師：這樣會讓導線長度增加。電阻 R＝ρ L/ A，ρ 是電阻率。

觸控面板的原理

觸控面板是貼附在螢幕玻璃表面上的薄膜，手機與電腦普遍使用的觸控面板是利用靜電原理進行感應。觸控面板有許多感應方法，最具代表性的是電容式觸控與電阻式觸控。手機使用的是電容式觸控面板，利用靜電就能讓 CPU 知道手指是否放在螢幕上。

觸控面板中縱橫交錯著許多表面帶靜電的電極陣列，如下圖。

手指碰到觸控面板時，會吸走該位置的靜電，感測器便據此判斷何處有靜電釋放。用一般的筆或戴著手套觸碰時，手機不會有反應，是因為其他東西與手指不同，不會導電，所以也不會釋放靜電。

電阻式觸控面板無法多點觸控；也就是說，不能用兩根手指同時操作。使用手機時，可以用拇指和食指同時觸碰面板，然後手指張開把照片放大，或手指閉合把照片縮小，電阻式觸控面板就沒辦法這麼方便。

電阻式觸控面板的電流是從兩片膜之間通過；手指碰觸時，上層膜會接觸到下層膜，使電阻降低，表示該處有電流通過，此時感測器便可讀取到接觸點位置。電阻式面板是透過壓力來操控，與觸控媒介是否導電無關；所以用筆、指甲來觸碰，螢幕也會有反應。這種面板也能感應觸碰壓力的強弱，因此常用於遊戲機。

——本文摘自《物理角色圖鑑：用35個萌角色掌握最重要的物理觀念，秒懂生活中的科普知識》，2024 年 9 月，漫遊者文化，未經同意請勿轉載。

靜電在生活上的應用

我們的抱負是替每種造成生活困難的現象平反，要幫忙找到它們會讓人好過的例子，告訴大家在哪些情況下，它們是有用（甚至更厲害）或有趣的。但是老實說，我懷疑在靜電荷上是否能做到，它好像到哪都會造成困擾。不過有時靜電荷其實也很有用，許多雷射印表機沒有它就無法工作，感謝雷射印表機讓我們不必用鉛筆寫 14 公里。

簡單來解釋一下雷射印表機的運作原理：印表機裡面有個用來列印紙張的感光鼓（Image Drum），這個鼓是帶電，會曝露在雷射光下，而它曝露的地方就會因此被放電，最後會回頭在要充電的區域著色。然後，感光鼓會轉到碳粉那裡，碳粉也帶了電荷，只會附著在仍要充電的區域。感光鼓現在有了我們想要列印的精確圖像，它被引導至紙上將碳粉卸下。

現在我們的文件已經列印好了。為了不被弄髒，之後會再用滾筒施壓加熱固定，也因此從雷射印表機出來的紙張會有點熱。我們辦公室的雷射印表機曾經在最後一個步驟故障了，還是會列印，只是要手工加固顏色。

除了列印，靜電對打掃也非常有用，但不是清潔家裡，是打掃大型工業廠房時可以派上用場。

我們會用靜電過濾器來過濾空氣中的灰塵或煙灰，現在大略解釋一下它的作業過程：帶電的電線會將電子噴到要清潔的氣體中，這些電子會在該處碰到灰塵並對其充電，帶電的塵粒就會衝向另一個正電荷的電極，並在那裡落下。然後，你就只要關掉靜電過濾器的電源，並輕輕敲一敲。

殘忍的直流電與交流電戰爭

就算靜電很煩，但至少不會對身體造成重大傷害，不像從插座裡出來的電，會變得非常危險。

你肯定從小就被警告：不要讓吹風機掉進浴缸、不要摸沒有絕緣包覆的電纜！不可以把叉子插進插座裡！不管怎麼說，這些警告都有道理。但原因到底是什麼？如果我們在乾燥空氣中走在地毯上會產生高達 2 萬伏特的電壓，而且也毫髮無傷，那從插座出來的 220 伏特電壓又算什麼呢？

吹風機泡在浴缸中不是件好事的最重要原因，是吹風機用的是交流電。你或許知道愛迪生（Thomas Edison）在 19 世紀末發明了燈泡，他希望燈泡能靠直流電運作，所謂的直流電就是電流在電路中朝一個方向流動，就像單行道一樣。

除此之外，愛迪生還希望用自己的直流電專利和只能計算交流電的電表賺愈多錢愈好。

然而，愛迪生有個最大的問題，就是直流電在長距離使用時，會損失大量的能量。他其實想利用這個問題，在不斷成長的電力市場上，從許多必要的發電站賺到額外的錢。不過隨著時間過去，他愈來愈輸給立場相對的交流電派的競爭對手。

身兼發明家和企業家雙重身分的喬治．西屋（George Westinghouse）與天才物理學家尼古拉．特斯拉（Nikola Tesla）合作，他們依賴交流電每秒會改變 50～60 次的特點。

交流電的優點：可以很容易升到高壓再降壓；可以傳輸幾百公里，損失的能量比直流電少。交流電的缺點：流經生物時，對其造成的危險比直流電大。儘管有這個缺點，威斯汀豪斯和特斯拉還是繼續更大範圍的銷售他們的專利。

愛迪生在大眾示威抗議下，透過電死動物發起一場可怕的反交流電運動，在悲傷的高峰時刻，他要員工替美國政府製造一把電椅，以展示交流電的致命性。但其實沒有用，交流電已經盛行起來了，因此可以替我們國家的所有電器設備（吹風機也包含在內）提供能量，無論是經過變壓器方便地使用或是直接利用。

到底是什麼讓交流電這麼危險？我們身體裡其實一直都有微小的電交換過程在不斷發生，例如用這種方式刺激心臟跳動。但每個心跳週期中，都有一個階段心臟對干擾會特別敏感，也就是所謂的「易損期」（Vulnerable Period）。

如果我們在這個期間受到電擊，就會發生危及性命的心室顫動（Ventricular Fibrillation）。

使用交流電時，電脈衝會以每秒 50 次的頻率雙向流動，電力突波會剛好在易損期擊中我們的風險，會比用直流電還要高很多。不過，如果突波剛好在剛好的時間以適合的強度出現，那麼心臟的這種敏感性當然就有用——這就是心律調節器每天拯救生命的方式。

人體的導電性比你想的還強

我們不應該讓吹風機掉進浴缸還有另一個原因，就是水的導電性比我們想像的要低。我們都以為掉進水中的吹風機非常危險，是因為水可以導電。我們以前都聽父母這樣解釋過，這沒有錯，但也並不完全正確。掉進浴缸裡的吹風機的確很危險沒錯，但那是因為人體的導電性比水好。

就算自來水的導電性很好，但它並非最好的導體之一，例如銅的導電性就是它的 10 億倍。人體的導電性比自來水更強，因為我們不僅是由水組成，還含有許多的鹽，這就是人體比洗澡水更能導電的原因，除非我們在浴缸裡加了浴鹽或尿尿（當然沒人會這麼做），那就另當別論。

如果吹風機掉進水裡，電流在我們身體裡比在水裡更容易傳播，而這種效應還會因為我們整個身體都泡在洗澡水裡而增加，這樣電流的整個接觸面積就會非常非常大。

——本文摘自《神奇物理學：從重力到電流，日常中的科學現象原來是這麼回事！》，2022 年 9 月，商周出版，未經同意請勿轉載。

覺得跨下刺刺的嗎？

感恩！科學家終於研究褲子材質對性功能的影響了！

蛤？穿聚酯纖維的褲子會影響性功能？有沒有搞錯？

今（2016）年的搞笑諾貝爾生殖獎，頒給了埃及開羅大學醫學系外科部（Faculty of Medicine, Cairo University）的沙菲克（Ahmed Shafik）醫師 [1]，以表彰他讓大鼠穿著聚酯纖維、天然棉、羊毛褲子（polyester, cotton, or wool），然後偷窺觀察大鼠的性行為的研究 [2]。

憂國憂民的科學家！

在很久很久以前，沙菲克醫師對於褲子的材質讓男性性功能有著不同的影響，有著濃厚的興趣。他徵求了人類和狗的志願者（？）穿上不同材質的褲子來進行研究，才赫然發現，當人類和狗穿上聚酯纖維（polyester）的褲子後，會產生精蟲稀少的「少精症（oligospermia）」[2]。

李組長眉頭一皺，發現案情不太單純：「難道是褲子太熱嗎？」

沙菲克醫師研究了陰囊（睪丸）的散熱機制後了解到，陰囊皮膚有許多皺褶，能夠提高散熱能力，使得睪丸不致於太熱而影響男性雄風 [3][註1]，所以醫師排除了跨下過熱的可能性，那，這是什麼原因呢？

沙菲克醫師同時在人類受試者上觀察到，穿了聚酯纖維褲後的陰囊會產生微弱的靜電場（感覺刺刺的嗎？@_@）。因此他推論聚酯纖維直接摩擦皮膚後產生的靜電，可能會影響睪丸產生精子的功能！身為愛國科學家的一員，沙菲克醫師也發現到在埃及假日的沙灘上，有許多人居然大辣辣地穿著聚酯纖維的褲子，絲毫沒有警覺心地直接讓聚酯纖維摩擦生殖器 [註2][2]！為了埃及國民的未來！沙菲克醫師決心要更深入地研究聚酯纖維是否還會進一步地影響男性的性行為？

「ㄜ…我想要訂製一件大鼠穿的牛仔褲。」 「蛤？」

有鑒於觀察人類男性的性行為次數是很困難的，同時發問卷也不是個好方法（會謊報……）。因此沙菲克醫師訂製了專屬於雄性大鼠的褲子，分別有： A) 百分百純聚酯纖維褲；B) 一半聚酯纖維/一半棉褲；C) 百分百純棉褲；D) 百分之百羊毛褲。每種褲子都精選了 15 隻雄性大鼠穿著（如上圖），並以大鼠的「騎乘行為（mounting）」和「抽插行為（intromission）」次數的比值做為性行為頻率的判斷。

經過沙菲克醫師超過 1 年的觀察（穿褲子前 + 穿褲子 12 個月 + 脫褲子 6 個月），終於獲得下表一的數據 [2]：

表一可以明顯地發現到，穿了有聚酯纖維褲子（100% 或 50%）的大鼠，性行為頻率將會大幅地降低，意即大鼠有騎乘的動作，但卻鮮少抽插的行為。如果是穿棉或羊毛褲的雄性大鼠，則抽插/騎乘的比值降低的幅度較不明顯。透過實驗，可以得出「穿了聚酯纖維褲子的雄鼠，其性行為將受到影響！」的結論。

褲子上的靜電讓老鼠沒了性趣？

同樣地，沙菲克醫師量測了陰囊至陰莖區間的靜電荷，結果如表二 [2]：

結果亦如醫師的猜想，穿有聚酯纖維褲的雄鼠，其生殖器的皮膚表面皆帶有靜電，而穿著棉褲或羊毛褲，生殖器皮膚表面則無靜電產生。因此醫師推測，是因為褲子摩擦皮膚後產生的靜電導致了雄鼠性功能的改變。

最後沙菲克醫師從學理的角度上推測可能的原因有二：

1) 聚酯纖維褲在生殖器皮膚表面上的靜電，導致生殖器組織裡的微弱電流，進而從細胞層級上影響性功能 [註3]；

2) 生殖器皮膚表面上的靜電，可能導致雄鼠的勃起障礙。

因為沙菲克醫師在過去的文獻中發現了靜電場可能會影響細胞膜的通透性，導致細胞吐出內部離子，進而影響周邊液體（如血液、組織液）的離子性質。並且沙菲克醫師猜測聚酯纖維褲產生的靜電場，更會影響控制陰莖勃起的陰莖背神經（dorsal nerve of penis）功能，導致雄鼠們「有心，但卻無力的不舉！」

看完沙菲克醫師這「造福成衣業者 & 男性大眾」的研究，最後，讓我們再次向現在已經在天堂的沙菲克醫師致敬！感謝您對科學的好奇，帶給我們精采的 2016 年搞笑諾貝爾生殖獎！謝謝你！！

• 本文感謝台灣大學醫學工程研究所蔡靜雯博士協助

註解

1. 一般而言，睪丸溫度約比人體體溫要低 2 度，約莫 35 度，所以睪丸摸起來的感覺通常會是「涼涼的」。
2. 在論文中的原文是 “Furthermore, short of pure or mixed polyester are worn directly over the buttocks and genitalia during sports, on the beach and during the holidays.”
3. 這點我表示懷疑。但公平地說，這個推論很難被證實是正確或是錯誤。而且細胞層級的影響，較能解釋精子細胞數量的減少，但是抽插/騎乘的比值，是偏向是性功能障礙與否的指標，較難以細胞層級進行解釋。但醫師的第2點推理倒是較能良好地推測出現性功能障礙的可能原因。

參考文獻

1. Winners of the Ig® Nobel Prize. 搞笑諾貝爾獎官方網頁
2. Ahmed Shafik (1993) Effect of different types of textiles on sexual activity. Experimental study. European Urology. 24, 375
3. 護睪須知。奇美醫院生殖醫學中心

美國的紙鈔上印的都是政治人物，但其中最高面額的百元紙鈔上的班傑明 · 富蘭克林（Benjamin Franklin, 1706－1790）卻顯得與眾不同。他不只是政治家，還是政治學者、出版家、作家、音樂家、慈善家、發明家與科學家。

富蘭克林十歲就輟學，到哥哥的出版社當學徒，他的豐富學識都是靠自學而來。1747 年，富蘭克林自一手創辦的印刷事業退休下來，專心研究電。當時人們對電的認識只有摩擦產生的靜電現象，還把靜電分成「玻璃電」與「樹脂電」，認為這是兩種不同的電。富蘭克林研究發現靜電是因為摩擦造成電荷從一個物體流到另一個物體，兩者所含的電荷失去平衡所致，並非無中生有（他因此成為提出電荷守恆的第一人）。他認為玻璃就是獲得電荷而帶正電，樹脂則是失去電荷而帶負電，這兩種電其實並無不同。富蘭克林定義的正、負電從此約定成俗，因此後來發現電子的流動方向恰好相反，才只好定義電子帶的是負電。

當時另一個迷思是天上的閃電與靜電是完全不同的電，富蘭克林卻不以為然；他決定用剛問世的萊頓瓶來驗證自己的推測。1752 年 6 月 15 日這一天，風強雨大、雷電交加，正是好日。富蘭克林在兒子的協助下，在穀倉內將風箏升到半空中，期待掛在風箏線上的鑰匙引來閃電。終於閃電擊中鑰匙，沿著導線一路傳到穀倉內的萊頓瓶，證明了閃電與靜電並無二致，同樣可以貯存於萊頓瓶中。（有些人質疑富蘭克林是否真的做過此瘋狂的實驗，但我們知道德國物理學家 Georg W. Richmann 可能受到富蘭克林啟發，於 1753 年在俄國做避雷針實驗，結果被球狀閃電擊斃。）

富蘭克林因此實驗成為英國皇家學會的院士，從一個沒受教育的印刷商變成受人敬重的科學家。除了因為風箏實驗得到靈感而發明了避雷針，他還發明了雙焦眼鏡、安全壁爐、導尿管、里程表，並對光學、熱學、氣象學都做出貢獻。他還做了人口統計、海洋灣流的調查。他從未為他的發明申請專利，他說：「當我們享受他人的發明帶來的便利，我們應該為自己的發明有機會服務他人感到高興，因此當然應該無私慷慨的去做。」

基於這種無私的胸懷，他一直都積極的參與公共事務。他設立了美國第一家醫院、第一所圖書館、第一支消防隊、第一家保險公司等等嘉惠公眾的機構，也參與了美國獨立宣言的草擬。他這些偉大的創舉以及對美國的重大貢獻，為他贏得了「美國第一人」（The First American）的稱譽。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。