自然快易通/蒸汽機與電動機

自然快易通/蒸汽機與電動機

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