文／林志鴻
告訴你╱通電運轉的機器 裡面都有電動機
許多傑出的發明，常是從些微的徵兆開始，每一小步的進展，往往要花好幾年工夫，不斷測試、改良與創新才逐漸成熟，電動機屬之；而有些發明已經是歷史悠久的老古董，在科技進步的今天，卻還占有重要的位置，發揮著關鍵的作用，老當益壯、歷久彌新，蒸汽機如此。這些機器發展的歷程，是人類文明進步的軌跡，也是基礎科學教育比較少觸及的部分，我喜歡和孩子們在課堂上討論這些有趣的議題。
課堂上談到電流磁效應時，總會以這件事來開始：
「大家回家的第一件事要做什麼？」
孩子們的答案五花八門：做功課、換衣服、看電視、開冰箱……。
他們的答案讓我直搖頭！
等到鴉雀無聲，公布我的答案：開門。
這下，孩子們啞口無言。沒錯！要先把門打開，才進得了家門。
接著問道：「沒有電動機，就回不了家的同學舉手。」
點幾位舉手的孩子發表：開鐵捲門、搭電梯、通過自動門……。
然後，讓孩子算一算教室裡有幾具電動機，這時他們才發現，原來身邊只要啟動電源就開始動起來的機器，裡面都有電動機，電扇、吹風機、冷氣機、冰箱、洗衣機……。
現代生活到處充斥著電動機，我們已經離不開電動機了。
談好處╱生活中有電動機 空出雙手更自由
沒有電動機的時代，這些工作都是僕役來做的，在天花板上裝置巨大的扇子，由僕役拉動來達成風扇的效果。直到現在，聽說在中南半島經營養殖漁業的台商，除了要僱傭兵荷槍實彈守衛養殖場和家園，家裡頭還有一位專門負責開門的僕役，守在大門邊，每天的工作就是為進出的人開、關門，這不是自動門就能達成的效果嗎？為什麼還要花一個人力在做這件事呢？
人類的遠祖，第一位直立起來的猿人，從樹上走向平地，打直腰桿，抬起頭來，視野開闊了，他╱她是為了什麼才站立起來的呢？我們沒辦法幫他╱她來回答這個問題，不過有個答案是很耐人尋味的……。
「為了不為什麼！」
當你直立起來，雙手就不必時時刻刻黏在地上支撐身體，雙手可以空出來，因為「不為什麼」而空出來，所以就能做出其他生物做不到的事，像製造工具、使用火、創造藝術、宗教儀式……，很多有創造力的東西，就是因為雙手空出來了，才會做得出來。這就是「無用」之大用。
當我們把電動機使用到生活中，就可以把困住的雙手空出來！取代僕役和奴隸的雙手，讓人愈來愈自由，愈來愈有創意。
誰發明╱厄司特發現磁力 安培寫出方程式
電動機是從什麼時候開始發展起來的呢？丹麥科學家厄司特，偶然將磁針放在一根長直導線的旁邊，導線通電之後，磁針產生明顯的偏轉。原來電流可以產生磁力，影響磁針的偏轉。厄司特發表這個現象，引起了法國科學家安培的注意，進而發展出電學的方程式來解釋電流磁效應的現象。所以電流磁效應是由厄司特發現，但集大成的人則是安培，因為安培的數學能力比厄司特強，尤其要利用數學來表達「場」的概念，在厄司特的那個時代還沒有發展成熟。
電流可以產生磁場，然後在鐵芯上纏繞著漆包線的鐵磁鐵接著出現，再來利用場磁鐵來與電磁鐵產生排斥的力量，讓鐵芯轉動起來，於是電動機就一步步進入人類的文明裡了。
問問你╱蒸汽機與電動機 差別在哪裡？
造成工業革命的蒸汽機（1679年）和電動機（1827年）的出現，大約相差了150年，電動機應該比蒸汽機更先進才對，但電動機可以取代蒸汽機嗎？這是一個非常值得思考的問題！
仔細想想，蒸汽機和電動機的差別在哪裡呢？
蠻喜歡和孩子們一起來探索這件事！
有個孩子反應很快：「就像汽車和電動車的差別。」
沒錯！原本的蒸汽機是外燃機，後來逐漸發展為內燃機，就是汽車所使用的引擎，利用熱能來產生動能，但能量轉換的效率不高，愈是超跑的汽車，效率愈是糟糕！而且排放出來的廢氣，除了產生二氧化碳之類的溫室氣體，也包含了許多浪費掉沒有利用的可觀熱量；電動機則是利用電能來產生動能，效率高出很多，而且不會排放廢氣……。
另一位同學馬上就反問：「電動車用的電，還不是要利用火力來發電嗎？也是燃燒大量的化石燃料，排放出廢氣呀！」
沒錯！電動車使用的電，如果是來自火力發電廠，就像把汽車引擎集中起來，變成一顆更大的引擎，沒有根本解決碳排問題。
所以，不會排放廢氣的發電方式有哪些呢？
有太陽能、風力、水力、潮汐、地熱……，還有核能。
太陽能是利用光電板，使太陽光轉變為電能，需要大量的受光面積；風力發電必須要有足夠的風場，所以有地點的限制；水力和潮汐是利用水的重力位能來發電；地熱要有火山地質構造才能開發使用。這些都有地形的限制。
核能呢？其實也是利用蒸汽機的原理來發電：首先利用核分裂來產生熱能，再把水給煮開了，產生高溫高壓的蒸汽來轉動發電機的渦輪，讓線圈轉動起來發電，接著回收水氣凝結成的水，再重新加壓加熱，來回不斷的衝轉渦輪而發電。因為水蒸氣可回收循環使用，不會排放出來，不會有廢氣產生，但會產生更棘手的核廢料問題，如果沒有妥善處理核廢料的問題，使用核能就像飲鴆止渴，禍留子孫。
看未來╱電池取代油箱 解決暖化重要關鍵
講到這裡，孩子們突然發現，從250年前的工業革命到現在，原來蒸汽機一直都在，而且站在產生電能的第一線上，從來沒有消失！只要利用熱能轉變為動能，都離不開蒸汽機，效率不高，也會有一定的極限！
研究熱能轉變為動能的極限，後來發展出熱力學熵（entropy，唸ㄕㄤ）的概念，說明無法跨越極限的原由，這也是另一段科學史上著名的精采故事。
為什麼蒸汽機會如此不可取代呢？從汽車和電動車的發展就可以看得出來，汽車使用的燃料是汽油，它是古代累積千萬年的太陽能，在一瞬間爆炸燃燒出來，能量密度很高，只要將油箱裝滿汽油就可以立即使用，簡單又方便。但石油是地球上不可再生的資源，也會產生廢氣；電動車則需要靠電池來儲存電能，如何提高充電和放電的效率，考驗著電池發展的技術。高效能的電池技術將是解決全球暖化的重要關鍵，相信未來一定是電池取代油箱的世代。
由蒸汽機和電動機的發展演進，可以看出人類使用能源的困境及未來方向，也是基礎科學素養很好的議題。
原文出自《好讀周報》668期
