【文╱林志鴻】
●是否會觸電 與電壓高低有關
記得有一次監考國三自然的段考，看到同學們收拾書包準備就位，冷不防一位同學丟出一個問題：直流電和交流電的英文縮寫是什麼？另一位同學答得很妙：交流電電到……會死（台語），就是AC；乾電池是直流電，電到袂死（台語），就是DC。身為理化老師，實在有必要提出觀念的糾正，但礙於監考老師的身分，不便於當下有任何提示，只好一笑置之。後來上課時，教到這個部分，都會和學生討論這個問題：直流電和交流電哪一種才會電死人？
大部分的孩子在家中都有過被家用電源電到的經驗，但在使用乾電池時，直接碰觸正負極，沒有任何感覺，所以會誤以為讓人觸電的是因為交流電和直流電的不同，這個誤會可大了！令人觸電與否是因為電壓高低，而非直流電或交流電。家用電源的電壓是110伏特；乾電池的電壓只有1.5伏特，如果要達到110伏特，就要串聯110/1.5=73.33顆電池才能達到相同的效果。家裡使用的乾電池，大部分都是單獨使用（1.5V）、串聯兩顆（3V），最多三顆（4.5V）串在一起，和家用插座電源110V的交流電差很多。大部分在家中觸電，都只是麻一下，就會因為肌肉的反射動作而抽離，不會發生很嚴重的傷害。
●輸送電能 會有耗損 降低電流 才有效率
為什麼家用電源要用交流電呢？其實在一百多年前，愛迪生就獲得了直流電的專利，1882年在紐約設立了直流電發電站，是全球第一座電力輸送站，當年就是提供110V的直流電。可是直流電有個非常致命的缺點，就是難以改變電壓，在輸送電力的過程中，會在電網上耗費大量的電能，隨著用戶增加，電網密集程度愈大，也就會損耗更多能量。
我們可以利用一個簡單的觀念來說明這個現象，如圖。
發電廠就像乾電池，廣大的用戶是電燈泡，兩者之間由導線連接。發電廠輸出固定的功率P，將電能送到廣大的用戶那邊。理想的情況是P全部使命必達，都送到用戶端，沒有能量損耗。可是在現實的情況下，會有部分的電能損耗在導線上。我們把發電廠輸出的電功率分成兩部分：一部分是導線損耗的Pr，和用戶收到的Pu。根據能量守恆：P=Pr+Pu。導線和用戶間是串聯關係，所以兩者在比較電功率大小時，電流是相同的，利用Pr=I2r可知，降低輸送電路上的電流是降低電能耗損最有效的方法。
發電廠的輸出功率P是固定的，又由P=IV可知，發電廠提高電壓V，便能降低電流I，減少輸送電能時的電能損耗。所以，目前全世界的電力輸送方式都是採用高電壓、低電流的方式。
如果發電廠將電壓提高10倍，輸出的電流就會降低10倍，在輸送電路上的電能損耗就降低至1/100，非常有效率。
●以變壓器控制電壓 交流電戰勝直流電
西元1885年，當時在愛迪生公司工作的特斯拉（Nikola Tesla，1856～1943），因為愛迪生的一句話：「如果能完成馬達和發電機的改進工作，將提供你5萬美元的酬勞。」為了這5萬美元，特斯拉將直流電發電機重新設計，為公司解決非常多困難問題，不過他沒有拿到5萬元的獎金，憤而離開愛迪生公司。
離開公司後，特斯拉開始積極研究交流電的技術，在西元1888年與西屋公司合作，開發了可以改變電壓的交流電發電機，如此就能解決直流電無法改變電壓而導致輸送耗損過多的困境。
在升降電壓部分，交流電就比直流電占優勢，因為交流電可以透過構造相當簡單的變壓器以主線圈和副線圈的匝數比例來控制電壓高低。
但愛迪生始終不認同交流電，開始一連串的商業抹黑與媒體攻勢，對大眾灌輸交流電是非常危險的恐懼感。不過西屋公司在西元1893年取得芝加哥世界博覽會的供電權，以及在西元1895年取得尼加拉大瀑布建造發電廠的權利，特斯拉以此證明交流電確實比直流電更適合作為供電來源，在電流大戰中獲勝，直到現今發電廠的供電系統，都是以交流電為主要供應方式。
●電流傳送中 須降壓3次 路邊變電箱 二次變電所
為了減少損耗而以高壓電來輸送電力，但以往高壓電線的布建沒有考慮人口密集程度或地下化程序，所以一般民眾誤觸高壓電身故也時有所聞。我的父親就是因為吊掛作業誤觸高壓電而過世的，這也讓我特別關心高壓電的安全問題。
身體接觸高壓電時，形成的傷害主要是電流熱效應造成的。接觸到高壓電，第一瞬間是衝擊心臟，往往使得觸電者失去意識，陷入昏迷；接著是在四肢末端形成的尖端放電，會使得手指和腳指爆裂，再來是內臟被煮熟，與肌肉相比，肝臟更容易受到熱傷害……，所以送到醫院要經歷截肢或切除煮熟內臟部分的外科手術，加上術後的長期復健才能逐漸復原。
從發電廠到用戶家中要經過3次的降壓：
超高壓變電所（345kV→161kV）、一次變電所（161kV→69kV）及二次變電所（69kV→110V）。所以一般民眾可能接觸到的高壓電是在二次變電所的輸入端，6萬9千伏特的電壓。
我們在路邊看到的變電箱就是69kV→110V的裝置，如右圖。輸入端是高壓電，輸出端是家用電壓110伏特，變電箱上標示著「有電危險」的警示；如果遇到供電異常或超出負載，變電箱可能發生爆炸。隨著民眾愈來愈重視身家性命的安全，加上台電民營化後重視民意，所以民眾開始主張不希望住家附近會設置變電箱，台電工程師就得順應民情遷走變電箱，遇到人口稠密的都會區，經常是無處可遷，只好遷到警局、公園、學校等公有土地上。
現代人生活已經離不開電了，各式各樣的電器提高生活品質，了解電力如何送到家裡，除了體現飲水思源的情懷，也應是身為公民的基本素養。
●作者為高雄小港國中自然科老師，喜歡在課堂上穿插各種小故事，啟發孩子對科學的興趣。
【2023-04-24/聯合報/R07版/好讀周報動腦力】
