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氣象雷達蓋不蓋?

活躍星系核_96
・2014/05/30 ・3781字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 571 ・九年級

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文 / 曾開治、鄒宗晏

近日新聞報導中央氣象局計劃花費四億七千萬元,在屏東縣新園鄉設置全國第三座防災降雨雷達站。[1]由於氣象上的極端降水情形,例如莫拉克風災時南部山區的瞬間豪大雨,通常無法依靠大尺度的氣象觀測來預測,因此高密度的小範圍監控有其必要性,興建防災雷達也正是為這個原因。[2]雖然氣象局再三強調,新園雷達站和七股雷達站並不相同,所發出的輻射值甚至比手機還低,但不可避免的,人們對電磁波的疑慮,成為興建雷達站最大的阻力。究竟防災雷達是什麼?而它所產生的電磁波又會對人造成什麼影響呢?

氣象雷達如何觀測氣象?

氣象用雷達主要的功能在探測大氣中的降水類型(例如雨、雪和冰雹等)、分佈、移動與演變,並能利於預報員對於強降水系統未來的分佈和演變做出短期預報。氣象用雷達透過單一方向性朝天空中發射電磁波,電磁波在遭遇空氣中的水滴或冰晶後,便會散射,其中一部分散射後衰弱的電磁波會被雷達站所接受。雷達站透過接收散射回來的電磁波衰減程度,便能觀測空氣中的水氣,並進一步分析這些資料做出對未來的預測,對於氣象用雷達更詳盡的介紹則可以參考 PanSci 上的另一篇文章[3]。全台目前共有四座氣象作業用雷達站,分別位於台北五分山、花蓮、墾丁和台南七股。前三座雷達站皆地處偏遠,雷達站方圓數公里內並無住宅。惟七股雷達站(圖一)與最近的民宅距離 100 m,而氣象局欲建立的屏東新園雷達站與最近的民宅距離為 700 m。

七股氣象雷達站
(圖一) 台南七股氣象雷達站照片。資料來源:中央氣象局

氣象雷達的死角和對地面人類的電磁波影響

氣象雷達發射的電磁波其波長範圍介於 1 cm到 10 cm之間,屬於微波,其波長大約是水滴和冰晶直徑的十倍,因此對空氣中水氣極為敏感。作業用氣象雷達通常有三個波段 S、C、X 波長分別是 10 cm、5 cm以及 3 cm,其中波長為 10 cm的雷達應用最為廣泛。因低對流層(離海平面2.2km)以內包含了將近 63 %的大氣中的水氣,雷達電磁波在此層內會以極快的速率減弱,這也是作業用的衛星雷達,因為回波資訊的不確定性極高,通常將離地 2 km 高度的低對流層視為衛星雷達死角的原因。另外氣象用雷達業可以選擇發射更高頻的雷達電磁波(例如Ka-band,波長約為 7 mm)來進行觀測,但這種能量較高的電磁波,電磁波束會長得更密集,游離輻射量也相對較少。再更高頻的電磁波觀測,則多以被動式接收為主,觀測器本身並不會發出訊號。

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因此氣象雷達本身的設計,為使雷達電磁波能有效地觀測大氣中的水氣,通常將發射器對準天空作 360o 的掃瞄,同時利用拋物型反射面以利電磁波的集中。所以大部分的電磁波會射向天空,只有少部分電磁波以散射的形式抵達地面,此外因為雷達發射器大多架設在離地面 20~30 m的高台上,因此會受到發射仰角、塔高和地球曲率半徑的影響(圖二),根據雷達回波高度公式:[4](h為平台高度,r是雷達站與目標物之間距離,θ為雷達仰角,作業用雷達通常為0.5o或1.4o,R為地球半徑,IR為大氣層折射率通常設為1.21)電磁波在抵達離發射源一公里以外的地區,其直接能接受到雷達電磁波的高度大約離地 40~50 m,如圖三所示。也因此對地面居民的影響,多以碰到障礙物後散射的游離電磁波為主。同時考慮電磁波強度隨距離平方成反比遞減,在離雷達站 1 km以外接受到的游離輻射約與環境背景值接近。

雷達迴波高度
(圖二) 雷達回波高度公式示意圖。由發射器射出的雷達電磁波其高度將由雷達仰角、塔高和地球曲率共同決定。theta角為雷達仰角,phi角則是雷達站和欲量測雷達電磁波高度的地點,其兩者和地心的夾角。
距離
(圖三) 發射後雷達離地高度對與雷達站距離圖。橫軸為雷達電磁波離地高度,縱軸為和雷達站的距離。圖中所展示的是一架設在離地30m高架上,以1.4O仰角發射電磁波的雷達站。由圖可得知,當距離此雷達站1km時,電磁波離地高度約為60m。此外可以看出地球曲率的影響,在距離雷達站較遠時才會顯現出來。

雷達電磁波對人體的影響輕微

氣象雷達所產生的電磁波在種類上屬於微波,微波並不像阿法、貝塔、珈瑪射線那樣具有很高的能量,可以打斷分子的鍵結造成分子離子化。微波的能量只夠使分子轉動,因而造成溫度的升高,微波爐便是利用在一個封閉空間內,透過能和水分子產生共振的微波波段,將能量傳給食物中的水分子,來達到加熱食物的效果。氣象雷達所發出的微波和微波爐所發出的微波在單位電磁波上能量相近,但因為氣象雷達所發出的電磁波在單位平面上通過的電磁波束較微波爐稀少,因此實際上造成的能量影響不高。另外氣象雷達微波的頻率並無法像微波爐微波一樣和水分子達成共振,所以即便被人體吸收也不易產生像微波爐一樣的加熱效果。

氣象雷達如前面提過的,是對著天空做 360o 掃描,如果又設址在偏僻的地點,距離雷達站一公里以外的地方除非是高樓,不然也不會受到電磁波的直接照射,至於因為散射而外溢的雷達電磁波在空氣中也很快就會減弱至接近背景輻射值。對於在氣象雷達站內的工作人員,雖然可能有接受到較高劑量雷達電磁波照射的風險,但氣象雷達站的建築也會有相應的電磁波防護措施,例如加厚並塗上防電磁波漆的牆壁、人員會接受電磁波防護安全訓練等等。綜合以上的討論,氣象雷達雖然可能會對人體造成影響,但是能透過妥善的安全措施以及與民宅保持距離的地理位置來盡可能將風險降低,而台灣目前所擁有的四座氣象作業用雷達站,除七股雷達站和民宅的距離有待商榷外,其餘的雷達站並無傳出附近居民受影響的報導。

台南七股雷達站的電磁波致癌爭議

根據記者朱淑娟在 2012 年 3 月 10 日所做的報導[5],1994年中央氣象局核定「台灣地區都卜勒氣象雷達觀測網」,其中把原位於高雄壽山的雷達站遷到台南七股,台南七股氣象雷達站於 2002 年 6 月 1 日開始正式運作。依當時規定,設置雷達不必做環境影響評估或舉辦說明會,因此直到雷達站設置完成,上至鄉長、村長,下至附近的居民,皆不知情。而雷達站鄰近 100 m 就有民宅、魚塭等附近居民日常生活、工作的地點。自 2002 年開始運作,直到五年後村民因為健康出現異狀才開始向相關單位陳情。根據台灣電磁輻射公害防治協會理事長陳椒華所做調查,雷達設置後到 2007 年有 16 個癌症病人,比雷達設置前約增加 3 倍。與全台南縣比,鹽埕村民的癌症在雷達設置之後超過 1.5 倍以上,漁民則超過 10 倍以上。

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當地村民質疑這些病症皆與設置在當地的雷達站有關,但七股雷達站 100 到 1000 公尺之間,經過多次檢測最高直達 0.00252 mW/cm2,是當時電磁波環境建議值 1 mW/cm2 的四百分之一左右,因此環保署在面對當地居民的陳情時,常以一句「合乎國家標準」便不再做後續的處理。[6]但陳椒華認為雖未超過環境建議值,但「環境建議值」並不等同於「安全值」。奇美醫院神經內科醫師林高章也認為,環境的因素很複雜,個人的因素也很複雜,每個人對電磁波的反應並不ㄧ致。另外世界衛生組織支持的國際癌症研究署在 2002 年將極低頻電磁波列入「 2B 級可能致癌物」,2010 年 5 月基於無線電話導致惡性腦瘤的研究,也將射頻電磁波列入「2B級可能致癌物」,與塑化劑、苯乙烯、咖啡等同屬 2B 級可能致癌物,這些物質的共同特色就是高劑量、長時間曝露便可能導致癌症。

結語

台南七股雷達站已於 2011 年 1 月 12 日由立院三讀通過遷移案[7],並於 2013 年 3 月 7 日與村民達成共識,預計 2017 將雷達站遷移至距離現址一點五公里處[8]。環保署也在2012年11月30 日將原先規範極低頻 833 mG、射頻 1 mW/cm2 的「電磁波環境建議值」改為「參考位準值」,並明確定義這個值指的是短期曝露效應[9],這顯示之後政府需要重新檢視氣象雷達站電磁波對附近居民健康風險的影響。

氣象雷達在做好規劃管控下,理論上其所產生的雷達電磁波並不會對人造成危及健康影響,而為了因應短時間內高強度的降雨,增加地面氣象作業用雷達的設置有其需要。但是在屏東新園鄉的雷達選址爭議中,氣象局除了詳細介紹新建雷達站的優點外,也應該做出興建雷達站可能產生的風險,並且同樣詳盡地告知當地居民,畢竟雷達站對於居住在當地又無安全防護措施的居民依然可能產生影響。政府施政時,應提供人民一個對於政策在未來完整的圖像,同時和人民充分的溝通,以尋求理解和共識,避免再發生像台南七股雷達站一樣的爭議。

參考資料:

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[1]《防災雷達說明會,兩百鄉親抗議》聯合新聞網
[2]災害預測新技術 (二):無山不崩雷達測雨全面網羅
[3]氣象學之「眼」:雷達
[4]美國海洋大氣總署對雷達回波高度公式的介紹
[5]【我愛鹽山不要雷達】
[6]氣象雷達站距民宅100公尺七股居民要求遷移
[7]七股氣象雷達站遷移重大突破立院決議6年內應遷移
[8]小漁民站出來電磁波規範轉向!
[9]電磁波安全值爭議重大突破! 833毫高斯是「短期曝露值」非「長期安全值」

 

作者-

鄒宗晏

大學唸的是化工系,但因為交友不慎,目前興趣開始轉向人文社會領域,目標是讓工程變得更有人情味。

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曾開治

目前就讀臺灣大學大氣系碩士(準備登入國軍online),目標是當個地物流力學家。個人網站:https://sites.google.com/site/q1q2dynamic/2010

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活躍星系核_96
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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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量子力學可以幫你判斷物體溫度?從古典物理過渡到近代的一大推手——黑體輻射
PanSci_96
・2024/03/24 ・3634字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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1894 年,美國物理學家邁克生(Albert Abraham Michelson)作為芝加哥大學物理系的創立者,在為學校的瑞爾森物理實驗室(Ryerson Physical Laboratory)落成典禮致詞時,表示:「雖然無法斷言說,未來的物理學不會比過去那些驚奇更令人驚嘆,但似乎大部分的重要基本原則都已經被穩固地建立了。」

以我們現在的後見之明,這段話聽起來固然錯得離譜,但在當時,從 17、18 到 19 世紀,在伽利略、牛頓、馬克士威等前輩的的貢獻之下,物理學已經達成了非凡的成就。

我們現在稱為古典的物理學,對於整個世界的描述幾乎是面面俱到了,事實上沒有人預料到 20 世紀將出現徹底顛覆世界物理學認知的重要理論,量子力學。

而這最一開始竟只是出自於一件不起眼的研究,關於物體發出的光。

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萬物皆輻射

在此我們要先理解一個觀念:所有物體無時無刻不在發出電磁波輻射,包括了你、我、你正使用的螢幕,以及我們生活中的所有物品。

至於為什麼會這樣子呢?其中一個主要原因是,物體都是由原子、分子組成,所以內部充滿了帶電粒子,例如電子。這些帶電粒子隨著溫度,時時刻刻不停地擾動著,在過程中,就會以電磁波的形式放出能量。

除了上述原因之外,物體發出的電磁波輻射,還可能有其他來源,我們就暫時省略不提。無論如何,從小到大我們都學過的,熱的傳遞方式分成傳導、對流、輻射三種,其中的輻射,就是我們現在在談的,物體以電磁波形式發出的能量。

那麼,這些輻射能量有什麼樣的特徵呢?為了搞清楚這件事,我們必須先找個適當的範本來研究。

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理想上最好的選擇是,這個範本必須能夠吸收所有外在環境照射在上面的光線,只會發出因自身溫度而產生的電磁輻射。這樣子的話,我們去測量它發出的電磁波,就不會受到反射的電磁波干擾,而能確保電磁波是來自它自己本身。

這樣子的理想物體,稱為黑體;畢竟,黑色物體之所以是黑的,就是因為它能夠吸收外在環境光線,且不太會反射。而在我們日常生活中,最接近理想的黑體,就是一點也不黑、還超亮的太陽!這是因為我們很大程度可以肯定,太陽發出來的光,幾乎都是源於它自身,而非反射自外在環境的光線。

或者我們把一個空腔打洞後,從洞口發出的電磁波,也會近似於黑體輻射,因為所有入射洞口的光都會進入空腔,而不被反射。煉鐵用的鼓風爐,就類似這樣子的結構。

到目前為止,一切聽起來都只是物理學上一個平凡的研究題目。奇怪的是,在對電磁學已經擁有完整瞭解的 19 世紀後半到 20 世紀初,科學家儘管已經藉由實驗得到了觀測數據,但要用以往的物理理論正確推導出黑體的電磁波輻射,卻遇到困難。正是由此開始,古典物理學出現了破口。

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黑體輻射

由黑體發出的輻射,以現在理論所知,長得像這個樣子。縱軸代表黑體輻射出來的能量功率,橫軸代表黑體輻射出來的電磁波波長。

在理想狀況下,黑體輻射只跟黑體的溫度有關,而跟黑體的形狀和材質無關。

以溫度分別處在絕對溫標 3000K、4000K 和 5000K 的黑體輻射為例,我們可以看到,隨著黑體的溫度越高,輻射出來的能量功率也越大;同時,輻射功率最高的波段,也朝短波長、高頻率的方向靠近。

為了解釋這個曲線,物理學家們開始運用「當時」畢生所學來找出函數方程式,分成了兩派:

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一派是 1896 年,由德國物理學家維因(Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien),由熱力學出發推導出的黑體輻射公式,另一派,在 1900 與 1905 年,英國物理學家瑞立(John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh)和金斯(James Jeans),則是藉由電磁學概念,也推導出了他們的黑體輻射公式,稱為瑞立-金斯定律。

你看,若是同時擺上這兩個推導公式,會發現他們都各自對了一半?

維因近似 Wien approximation 只在高頻率的波段才精確。而瑞立-金斯定律只對低頻率波段比較精確,更預測輻射的強度會隨著電磁波頻率的提升而趨近無限大,等等,無限大?――這顯然不合理,因為現實中的黑體並不會放出無限大的能量。

顯然這兩個解釋都不夠精確。

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就這樣,在 1894 年邁克生才說,物理學可能沒有更令人驚嘆的東西了,結果沒幾年,古典物理學築起的輝煌成就,被黑體輻射遮掩了部分光芒,而且沒人知道,這是怎麼一回事。

普朗克的黑體輻射公式

就在古典物理學面臨進退維谷局面的時候,那個男人出現了——德國物理學家普朗克(Max Planck)。

1878年學生時代的普朗克。圖/wikimedia

普朗克於 1900 年就推導出了他的黑體輻射公式,比上述瑞立和金斯最終在 1905 年提出的結果要更早,史稱普朗克定律(Planck’s law)。普朗克假想,在黑體中,存在許多帶電且不斷振盪、稱為「振子」的虛擬單元,並假設它們的能量只能是某個基本單位能量的整數倍。

這個基本單位能量寫成 E=hν,和電磁輻射的頻率 ν 成正比,比例常數 h 則稱為普朗克常數。換言之,黑體輻射出來的能量,以hν為基本單位、是一個個可數的「量」加起來的,也就是能量被「量子化」了。

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根據以上假設,再加上不同能量的「振子」像是遵循熱力學中的粒子分佈,普朗克成功推導出吻合黑體輻射實驗觀測的公式。

普朗克的方程式,同時包含了維因近似和瑞立-金斯定律的優點,不管在低頻率還是高頻率的波段,都非常精確。如果我們比較在地球大氣層頂端觀測到的太陽輻射光譜,可以發現觀測數據和普朗克的公式吻合得非常好。

其實有趣的是普朗克根本不認為這是物理現象,他認為,他假設的能量量子化,只是數學上用來推導的手段,而沒有察覺他在物理上的深遠涵意。但無論如何,普朗克成功解決了黑體輻射的難題,並得到符合觀測的方程式。直到現在,我們依然使用著普朗克的方程式來描述黑體輻射。不只如此,在現實生活中,有許多的應用,都由此而來。

正因為不同溫度的物體,會發出不同特徵的電磁波,反過來想,藉由測量物體發出的電磁波,我們就能得知該物體的溫度。在疫情期間,我們可以看到某些場合會放置螢幕,上面呈現類似這樣子的畫面。

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事實上,這些儀器測量的,是特定波長的紅外線。紅外線屬於不可見光,也是室溫物體所發出的電磁輻射中,功率最大的波段。只要分析我們身體發出的紅外線,就能在一定程度上判斷我們的體溫。當然,一來我們都不是完美的黑體,二來環境因素也可能產生干擾,所以還是會有些許誤差。

藉由黑體輻射的研究,我們還可以將黑體的溫度與發出的可見光顏色標準化。

在畫面中,有彩虹背景的部分,代表可見光的範圍,當黑體的溫度越高,發出的電磁輻射,在可見光部分越偏冷色系。當我們在購買燈泡的時候,會在包裝上看到色溫標示,就是由此而來。所以,如果你想要溫暖一點的光線,就要購買色溫較低,約兩、三千 K 左右的燈泡。

結語

事實上,在黑體輻射研究最蓬勃發展的 19 世紀後半,正值第二次工業革命,當時鋼鐵的鍛冶技術出現許多重大進步。

德國鐵血宰相俾斯麥曾經說,當代的重大問題要用鐵和血來解決。

就傳統而言,煉鋼要靠工匠用肉眼,從鋼鐵的顏色來判斷溫度,但若能更精確地判斷溫度,無疑會有很大幫助。

德國作為鋼鐵業發達國家,在黑體輻射的研究上,曾做出許多貢獻,這一方面固然可能是學術的求知慾使然,但另一方面,也可以說跟社會的需求與脈動是完全吻合的。
總而言之,普朗克藉由引進能量量子化的概念,成功用數學式描述了黑體輻射;這件事成為後來量子力學發展的起點。儘管普朗克本人沒有察覺能量量子化背後的深意,但有另一位勇者在數年後繼承了普朗克的想法,並做出意味深長的詮釋,那就是下一個故事的主角――愛因斯坦的事了。

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「真.無線充電」?試試電磁波獵能手環,你的身體就是最好的捕能裝置!
PanSci_96
・2023/04/22 ・2679字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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你的手機能無線充電嗎?不過,雖說是無線充電,但還是得要放在充電盤上,由充電盤連結一條電線,這樣的充電方式,想必跟大家期待的「真.無線充電」有落差。

好消息是,有人提出一種藉由捕捉空間中的無線電波、獲得電能的無線充電方式,所以代表這些電能是完全免費的!但……這是真的嗎?

隔空充電可行嗎

現在我們已經可以透過無線網路串連全球的資訊,但是遠距能量傳輸卻尚未成真。

當代的無線通訊裝置,舉凡手機電話、wifi 網路、無線電、衛星定位等,都可以靠著不斷地發射無線電波來交換訊息。不過其實仔細想想,無線電波、電磁波其實就是不斷變化的電磁場。既然可以透過磁場變化來傳遞能量,那這些強大的電磁波網絡,是不是也可以拿來傳遞電能呢?

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實際上還真有類似的例子,一百年前最早的收音機竟然完全不需要插電!礦石收音機只需要天然礦石、金屬針、線圈和一些電線,就能收到附近廣播電台送出的訊號,轉換成聲音並放出。

那麼為什麼沒有沿用至今呢?主要就是效率的問題。礦石收音機需要不斷調整金屬針接觸礦石的位置,還得拉長長的天線來捕捉更多的無線電波;市售的礦石收音機玩具,甚至附有一條長長的鱷魚夾電線,可以接到大型金屬家具,產生更清楚、更大聲的聲音。當然這種收音機很快就被以電驅動的真空管收音機取代了。

2021 年初小米曾發表過隔空充電技術專利,利用指向型遠距充電,系統會先定位出手機的位置,再透過多個天線組成的陣列將電波瞄準發射給手機,克服電磁波發散的問題,據稱能在數公尺內進行無線 5W 的無線充電,雖然還不到快充,但也算是革命性突破。不過目前還在技術發表階段,尚未正式推出。

礦石收音機是利用天然礦石或晶體,加上天線、地線和調諧電路,所製成的收音機。圖/維基百科

無線射頻獵能

再換個角度思考,能量在傳遞的時候會向四周發散,而我們生活周遭到處都是會發出電磁波的 3C 產品,那能不能反過來,捕捉這些由其他電器溢散的電磁波,並轉為能量呢?

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還真的有人這麼做了。收集這些廢能,並轉化成可用電能的技術,就稱為「無線射頻獵能」。近十年來,有許多相關的技術與研究,不過效率大多還未到達實用階段。

就在今年一月,美國麻州大學團隊發表了一種可以用於無線射頻獵能的線圈手環,而且功率竟然比一般的線圈天線高十倍以上。

有趣的是,其實他們當時並不是在研究無線充電,而是如何使用 LED 快速閃爍來傳遞訊息;這種名為可見光通訊 VLC 的技術,有望成為未來 6G 通訊的方式。但發現到,這種技術需要 LED 以每秒數百萬次的頻率閃爍,過程中會釋放出大量不可用的無線電波,浪費掉許多能量;於是轉念一想,嘗試用線圈收集這些逸散的能量,降低傳訊時的能量浪費。

研究團隊發現,當線圈靠近金屬片時,收集能量的效率會變得更好。透過反射增強訊號,金屬片吸收環境中的電磁波再向外放出;隨著金屬片面積越大,攔截到的電磁波也越多,收集能量的效果也越好。

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但是無線充電就是要擺脫這些笨重的金屬板,於是研究人員開始拿生活周遭的 3C 產品來進行實驗。從獵能的功率來看,效果最好的依序是筆電、平板、手機。這和預期的一樣:面積越大,獵能效果越好。

然而,意想不到的是,實驗效果最好的,竟然是人體!

推測這是因為人體中含有大量水分,其容易導電、被極化的特性有助於蒐集空間中的電磁波。人體就是一根巨大的共振天線,能增加無線電訊號的發射效率,同樣的道理,也可以用來收集環境中的無線電波能量。

人體是巨大的共振天線!圖/GIPHY

研究團隊將線圈手環的設計稱為「Bracelet+」,是第一個借助人體的獵能裝置;後續又嘗試將線圈做成戒指和手環,希望能打造出輕便的隨身獵能裝置。

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那這樣是不是以後只要綁條線圈在手上,就再也不需要幫手機充電了呢?該線圈手環目前在數公尺的距離外最多可以捕獲微瓦等級的功率,也就是百萬分之一瓦。用這種電壓當然不可能幫手機充電,不過已經足以供應一些低功耗的隨身裝置,像是常見的智慧健康手環,或是負責監控體溫或血糖的元件,甚至類似心律調節器的植入式醫療器材,或許就可以利用該線圈設計,減少充電的頻率。

在 5G 物聯網的架構中,各種居家和隨身裝置必須隨時維持連線,如何為這些獨立、低功耗的裝置供電便成了重要的課題。在這種情況下,如果可以汲取周遭無線電波的廢能,不只可以節省能源,還能免去定期更換電池或充電的麻煩。

遠距充電熱潮

目前的 5G 和開發中的 6G 技術,都持續往電磁頻譜中更高頻率的部分去探索,設置覆蓋率更高、頻譜更寬的無線通訊網絡,而這些頻率的電磁波也將為無線充電帶來新的發展機會。

去年在 Scientific Reports 期刊上,有篇研究提出了 5G 網路作為電力網的想法。團隊針對 5G 使用的頻率設計出一種天線以及搭配的電路,可以在 180 公尺外接收到 6 微瓦,為無線電力網的夢想邁出了第一步。

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不過,在這波遠距無線充電的熱潮下,市面上也出現許多令人半信半疑的遠距充電技術。

例如 2011 年一家新創公司推出了超音波充電技術,宣稱可以透過空氣的震動替手機充電;然而,雖說超音波充電雖然在原理上可能可以運作,但在充電效率和經濟成本上根本不切實際,對人體健康的影響也相當有爭議。

除此之外,還有一家叫做 TechNovator 的公司推出了前所未聞的量子充電技術,他們宣稱可以透過「能量量子化」來傳輸能量,並且在「空間中創造能量結構」,還不需要任何形式的電磁場,就可以達成 100 瓦的無線充電!至於到底有沒有這麼好的事,就留給各位判斷了。

在所有物品與資訊都以無線網路相連的這個時代,無線的電力傳輸與電力網是關鍵的下一步;能夠有效的無線傳輸能量,才能讓我們生活周遭的智慧裝置擺脫電線的束縛,減少電池的消耗,成為一個自由移動,自給自足的物聯網。

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不論是透過可見光、wifi、還是 5G 訊號,無線且遠距的充電與獵能,將來勢必會有讓人驚豔的發展。

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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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