蒸汽機與電動機

蒸汽機與電動機

【文╱林志鴻】

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。

●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