【物理好好玩S2EP06】從無線充電談電磁場
我們的日常，是由電與磁交織而成的，它們感覺如此的熟悉，好像早已成為人類生命的延伸了。
所以，每一天，如同太陽一直會從東方升起，電廠產生的電壓，推動著導線內的電子，移動形成電流。電流流過燈絲，燈絲的電阻產生高溫，就發出強光。而冰箱、冷氣機的基本零件則是馬達，電流流過導線線圈形成電磁鐵，在周圍永久磁鐵的磁力推動下，就能持續旋轉，產生動力。
這些電器構成了我們的世界，但也常有新的發明加入，一起點綴我們的生活。最近添加的是無線充電，一般的充電，會將導線插入電器內，電流流入，為內部的鋰電池充電。但很顯然，對如手機這樣機動的產品，這條導線十分累贅。有了無線充電，我們只要將手機放在座上，便能開始充電了。聽眾應該可以猜得到，手機其實並不需要接觸充電座。你可以試一下，慢慢將手機接近充電座，但不接觸。以我的手機為例，大概距離0.5公分，充電就開始了。你可以繼續保持這樣的距離，手機將一直充到飽。可見，充電座通過了無一物的空間，隔空打牛，對沒有實質接觸的手機，產生了作用。無線充電有一個國際標準，稱為Qi，取中文「氣」的音，各位不覺得實在很傳神嗎？
將手機放在任何一塊磁鐵旁，應該也能充電
這是如何做到的呢？如果我們把無線充電座拆開，最主要的零件是一個固定的線圈，當電流流過線圈，就產生一個電磁鐵。效果與一般的磁鐵完全相同，只是強度會由電流的大小決定。手機內也有一個線圈，在這裡扮演電流迴路的角色，迴路如果連上電源，電流流動，就為連在迴路上的鋰電池充電。所以，充電座的電磁鐵，顯然在手機內憑空等效的製造了一個電源。
但如果只是如此，將手機放在任何一塊磁鐵旁，應該也能充電才對，但事實顯然不能。如果更仔細點看，充電座內還有一個關鍵的積體電路元件：變頻器。這很有趣，無線充電的插頭，是一個3C產品慣用的轉接頭，它將牆上插座輸出的交流電，轉換成積體電路適用的直流電。但在轉接頭剛製作完成的直流電，進到無線充電座後，裡面的變頻器，又把它轉換回到交流電。需要如此大費周章、朝令夕改，可見進到充電座線圈的必須是交流電才行。交流電流的特徵是一直變化的大小與方向，因此可以推知，必須是一直變化強度與方向的磁鐵，才能在手機上的線圈內，產生效果等同於電源的電效應。
這個無線充電器，與十九世紀大物理學家法拉第，發現這個現象時所用的實驗裝置，幾乎完全相同。在1831年８月29日，法拉第的實驗室日誌清楚寫道：「在實驗中，用磁製造了電！」法拉第可能是第一個出身貧苦的物理學家，他的父親是一位鐵匠，隨著大量鄉村剩餘勞工，在十八世紀初，移居倫敦尋找機會。這在工業革命之後的大都市，是一個只夠糊口的工作。因此法拉第完全沒有機會接受正式的教育，十三歲就開始在書籍裝訂店擔任學徒。但這竟是一個充滿啟蒙機會的工作，無數的書籍，都在這個書店整理、重新裝訂。在休息時間，法拉第就能一頁一頁，吸取其中的知識。而十九世紀初，正是自然科學蓬勃起飛的年代。法拉第就是這樣完成了他的教育。書店的主顧，有許多是當時第一流的學者。法拉第的能力與上進心，想必使許多人印象深刻，也使他終於得到機會，進入當時聲望日益爆發的皇家研究院，擔任實驗助理。在工作上展現驚人的直覺洞見與操作能力，法拉第立刻大放異彩。皇家研究院會議紀錄對他的稱謂，從最早的麥克．法拉第，漸漸改為法拉第先生，最後就變成了法拉第教授。
法拉第自己動手，以導線仔細纏繞一根粗的鐵棒
1831年８月29日展開的實驗，是希望用磁，來產生電流。法拉第自己動手，以導線一圈一圈仔細纏繞一根粗的鐵棒，形成一個線圈，這個線圈現在還留存著。讓我們稱它為甲線圈，這與無線充電座內的線圈，功能完全一樣。當電流通過導線，鐵棒形成一個磁鐵。在上方分開放置另一個聯有電流表的乙線圈，這就對應無線充電手機內的線圈。在實驗中，法拉第驚訝的注意到，當他把甲線圈的電流打開時，乙線圈會突然出現一個電流，然後就消失了。比較粗心的實驗者，可能不會在意稍縱即逝的那一道電流，但毫不放過任一個細節的法拉第，頓時有了領悟。這個現象顯示，甲線圈的電流一出現，造成它的磁性瞬間變化、由無到有，同時使乙線圈出現電流。接著甲線圈的電流與磁性維持不變，乙線圈的電流就消失了。那如果能維持甲線圈上電流一直持續變化，乙線圈內應該就會持續出現電壓，產生電流，效果與連上一個電源毫無差別。這樣的現象就被稱為電磁感應，簡言之，由甲線圈產生，通過乙線圈的磁性如果改變，乙線圈內會出現一個等效的電源。用一句口號來代表，就是「變磁生電」。從這一天開始，人類認識到了：電與磁不再是獨立的現象，而是一個整體的兩個層面。
無線充電的原理就是電磁感應，類似的裝置在日常生活中，不勝枚舉。例如，常見的金屬檢查門，地下金屬探測器。檢查門本身是一個大線圈，通過的探測對象身上若有金屬，就形成可導電的電路。通過檢查門時，電路感受的磁性有了變化，感應的電壓便會產生電流而被偵測到。請注意，在這些裝置中，器材與探測對象，更明顯的在空間上是分開的。因此，在空間中，需要有一個機制把已經離開線圈的磁效應，轉化為電壓的電效應。也就是說，空間不再只是一個空洞又被動的舞台，它自己本身就是一個很有戲的角色。法拉第根據電磁感應的現象，指出了空間對電與磁的效應，一定扮演著過去未曾被認知的關鍵角色。因此得給它一個名字，法拉第把它稱為「場」，原意就是廣闊的田野。於是無一物存在的空間中有電場、有磁場，打一個有點遠的比方，這有點像，在房屋買賣雙方之間，還需要一個仲介進行斡旋折衝，而不是直接交易。我們現在會說：充電座中變化的電磁鐵，在空間各處，造成變化的磁場，因為電磁感應的效應，各處也會同時出現電場，在手機處的電場就會推動手機線圈內的電子，產生電流。
電磁場的效應隨處可見，而且我們對它瞭若指掌
電磁場可以說是物理史上，繼牛頓力學後最重要的發現。誇張一點說，整個自然，除了基本粒子，就是「場」，也沒有別的了。「場」看不見，摸不到，卻無處不在，實在是非常抽象、甚至令人迷惑。難怪，我們只要想描述任何不可見的東西，都會神神秘秘的把它叫作「場」，「氣場」就是一個最明顯的例子。但其實電磁場的效應隨處可見，而且我們對它瞭若指掌。
有了電場與磁場的概念，法拉第的想像力並不就此停止，他進一步猜想，瀰漫在空間中的電場與磁場，是不是可以像水面或空氣，容許有波的傳播。雖然還沒有具體的證據或推導，法拉第大膽的寫道「我傾向把磁力從磁極向外的散播，比喻為水面的擾動，或者空氣中的聲音。這個散播是漸進而需要時間的」「波」的意思就是在某一個地方發生的變化，可以傳播而影響遠方，傳播的速度就稱為波速。在電場與磁場上傳播的變化，就是電磁波。物理學家赫茲在1886年製造並驗證了第一道人造電磁波，奇妙的是，當赫茲被問到這個肉眼看不見的發現有什麼應用，他的答案竟然是：「我猜、應該是沒有用吧！」
赫茲當年的實驗，我們也可以用無線充電座來做。現在讓我們想像，我在一個大房間的一側，把充電座豎立起來，電流加得很大，讓我的朋友在房間的另一側把手機對著充電座。我們已經知道了，充電座內交流電通過線圈，會造成周圍磁場的變化。現在法拉第告訴我們，「場」是瀰漫各處，這個磁場變化可以如水面的波傳播開來，所以一段時間後，磁場的變化就傳到了房間另一側的手機處，在那裡感應產生了電場，推動手機內線圈出現電流。於是我與相隔一段距離的朋友之間，跨越空間產生了聯繫。更進一步的，如果充電器電流大小本身就調整為一個訊號，例如說話的聲紋，手機的感應電流也會反映這個訊號而改變強弱。當我的朋友記錄下電流，這個訊號就從我這裡，傳到他的手機上了。這就是一個真實的無線電電磁波訊號，發送與接收的過程，只是這時我們通常會用環形天線，來稱呼線圈，充電座的線圈就是電磁波的發送天線，而手機內的就是接收天線。
有了電磁場，我們與遙遠的物體與人，可以說聯在一起了
於是人類可以依賴電磁波，跨越距離進行通訊。因為電磁波的波速就是光速，跨越距離在我們的感官感覺起來，幾乎是完全即時的。而且我們還能聯絡得很遠，天文學家現在可以測量到距離130億光年遠的星團，所發射出來的電磁波與光，這應該是130億年前，接近宇宙創生時所發出來的。合理的推想，現在，這些星團早已消失了，但它們產生的電磁效應，到今天還瀰漫在宇宙各處。可見廣大的整個宇宙，真的布滿了電場與磁場，平常的時候數值為零，但都等待著電磁波通過時把它們激發。但聽眾得記得：宇宙大部分的空間是空的，電場、磁場的所在，完全沒有任何物質，真是非常奇妙。
有了電磁場，我們與遙遠的物體與人，甚至整個宇宙可以說聯在一起了。雖然可能需要很長的時間傳播，原則上就可以彼此相通。莊子所謂：不傲睨萬物，而與天地精神往來，就是這意思吧？
下一次的【物理好好玩】我們休息一下，不談科學，談科學家，讓我來介紹法拉第與他的老師戴維的故事。
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圖：東方IC 片頭製作：曾海芬
錄音師：劉寶苓 製作人：林文珮
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