電

　　不久前介紹一個聽起來很深奧，其實挺單純的物理定理《相對論》
　　今天要反過來談另一個話題──電，一個聽起來很簡單，其實頗複雜的物理現象。
　　不複雜嗎？
　　自從十九世紀末期電進入工業和家庭，它和我們的生活越來越緊密，至今可說是除了陽光、空氣、水，人類生活不可或缺的第四個元素。
　　可是，你不覺得和人類生活密不可分的電，我們似乎一知半解？
　　好比說到底什麼是電？
　　輸送水流的水管只有1條，為什麼輸送電流的電線必須2條？

相片一：水管與電線。

　　另外，直流電和交流電有什麼差異？哪一個比較危險？
　　對這些我們經常接觸、經常面對的問題，你是否徹底了解呢？
　　今天我願意再度發揮研究精神，對前述問題進行深入淺出的說明。
原子(atom)
　　原子的英文名（atom）是從希臘語ἄτομος（atomos）「不可切分的」轉化而來，那是因為早期的科學家認為原子是物質不可切割的「最小粒子」。
　　好比說不管使用何等高科技儀器，金塊透過不斷切割、化學分解，最終總會存在1個「無法切割」的「金原子」。

圖一：想像中的金原子。

　　反之，金塊也由金原子一個一個累積而成。
　　很直覺的想像，早期科學家也的確認為如此，然而這觀念是錯誤的。
　　20世紀初期，物理學家發現原子的內部結構，那是由一個位於原子中心的「原子核」，以及數個圍繞原子核旋轉、帶負電的「電子」組成。
　　例如圖二是擁有3個旋轉電子的原子。

圖二：擁有3個電子的原子。

　　後來進一步發現原子核並非「1顆球體」，而是由帶正電的「質子」以及不帶電的「中子」組成。而且通常外圍有幾個電子，原子核便擁有數目相等的質子與中子。
　　例如擁有3個電子的原子，其原子核的組成如圖三。

圖三：擁有3個電子的原子核結構。

　　也因此，圖二較正確的內容應為圖四。

圖四：原子結構示意圖。

　　從圖四不難看出，由於電子數(負電)與質子數(正電)相同，因此原子為「電中性」。至於質量，中子與質子概略相等，而中子為電子的1,840倍，所以超過99.9%的原子質量都集中在原子核。
　　講到這你應能回憶起學生時期學過的化學元素週期表(請參考表一)，其中每一個方格都代表一個元素，左上角阿拉伯數字是「原子序號」，代表該元素所擁有的電子、質子，以及中子數。

表一：化學元素週期表。

　　從表一可知，宇宙中最輕的原子為氫(H)，原子序號1，代表氫原子擁有1個電子、1個質子、1個中子。
　　同理可知金(Au)的原子序號79，代表金原子擁有79個電子、79個質子，以及79個中子。
　　有趣的是，如能把氫原子與金原子徹底拆散，二者得到的電子、質子、中子沒有任何差異。
　　腦筋動得快的朋友這時應想得到：若能將79個氫原子壓縮成1個原子，使新原子擁有79個電子、79個質子、79個中子，那不就是金原子嗎？
　　沒錯，果能如此，我們是可以從平淡無奇的氫氣中淬鍊出金子。
　　將79個氫原子壓縮在一起，原子數目太多，太困難了嗎？
　　不妨換個方式──將1個銅原子(Cu，原子序號29)與1個錫原子(Sn，原子序號50)壓縮成1個原子，或使用強力從汞原子(Hg，原子序號80)中移除1個電子、1個質子、1個中子，不也能淬鍊出金子？
　　這就是早年風靡一時的「鍊金術」。
　　別說是財迷心竅的門外漢，即使大名鼎鼎的科學家如牛頓，後半生也醉心於鍊金術。
　　可是，從牛頓到今天已經過了三百年，這中間經歷多少科學家，嘗試過多少種方法，可曾有誰成功過？
　　由此可見增減原子的電子、質子，以及中子數，改變原子屬性是極其困難的工作。
　　有多困難呢？
　　看到元素週期表，某些讀友可能會產生一個錯誤的觀念──宇宙大致由這些元素均勻(所佔的比例都差不多)組成。
　　其實不僅不均勻，而且極其偏頗。
　　以太陽為例，氫占71％，氦占27％，其他所有元素僅占2％左右。
　　氫與氦具備什麼特色？
　　氫的元素序號為1，是宇宙最輕、最單純的原子。
　　氦的元素序號為2，是宇宙第二輕、次單純的原子。
　　而它們所占的比例分別為71％與27％──由此可知，宇宙最原始的組成應為最單純的氫原子；而後不斷地在高壓、高熱，以及高輻射撞擊下，氫原子漸次融合成新元素。
　　明白嗎──即使上帝出手，也僅融合了近三成的氫原子，而其中產量最大、超過九成的融合工作，不過是將2個氫原子融合成1個氦原子！
　　講到這，你應能明白增減原子的電子、質子，以及中子數，改變原子屬性是何等的困難。
　　
　　原子另外還有一個令人難以置信的現象是它所占的空間──假如原子核的大小如同一隻螞蟻，電子運動的範圍就約略等於一座棒球場(請參考圖五)！

圖五：原子占據空間示意圖。

　　請仔細看圖五，明白「占據空間」所代表的意義嗎？
　　那是不輕易容許其他原子「侵入」的範圍。
　　例如圖五的原子聚集在一起，可能的結構便如圖六──原子與原子之間只有部分重合。

圖六：原子組成示意圖。

　　請仔細看圖六，並試著發揮微觀想像力，你會明白物質的結構，不管是氣體、液體、固體，或硬邦邦的金屬，其實它們的內部組成絕大部分都是「什麼都沒有的」空間！
　　了解原子組成是如此空洞，我們便能體會「萬有引力」是何等偉大──小如螞蟻的原子核，竟可拉住如塵埃般的電子在棒球場一般巨大的空間內規律旋轉！
分子(molecule)
　　原子是透過化學手段，分解之後所能得到的「最小粒子」。
　　如果不透過人為的化學手段，原本就存在於自然界的「最小粒子」為分子。
　　分子由1種或數種原子組成。例如氫分子為H₂ (2個氫原子)，水分子為H₂O (2個氫原子＋1個氧原子)。

圖七：氫分子與水分子。

　　現在問題來了，為什麼有的分子是單原子，有的是多原子？它們又為何要結合成某一種特定形狀？
　　說明這些問題的答案以前，請先了解電子環繞原子核旋轉的軌域。
　　從元素週期表可知，每個原子都包含數個到近百個電子──那麼多的電子並非環繞著同一個旋轉半徑(軌域)，而是類似圖八，電子由內(靠近原子核)往外依序填補，且每層軌域最大電子數皆有上限，其公式為：2 x n²。

圖八：電子旋轉軌域示意圖。

　　例如圖八，第n層軌域最大電子數為：
　　n=1，最大電子數 = 2x1²＝2。
　　n=2，最大電子數 = 2x2²＝8。
　　n=3，最大電子數 = 2x3²＝18。
　　n=4，最大電子數 = 2x4²＝32。
　　…………
　　電子靠原子核越近，受到的吸力越強，本身動能越小，越不容易逃脫原子的範圍，也就越穩定。反之，電子離原子核越遠，受到的吸力越弱，本身動能越高，逃脫原子範圍的可能性越高，所以越不穩定。
　　所有軌域中「最不穩定」，或「最活潑」的電子必然是處於最外層的電子，此又稱「價電子」；不過，價電子的個數如果為2(原子序號小於2)或8(原子序號大於或等於3)，分子反而會出現穩定的現象。
　　例如氦原子(He，原子序號2)最外層的電子數就是2個，滿足上述穩定的條件，因而單1個原子就可以形成分子，所以「氦分子」的結構就是「氦原子」。
　　可是氫(H)原子只有1個電子，它會試圖捕捉1個電子使能達成「價電子 = 2」的穩定狀態，所以很容易結合另一個氫原子形成圖九的氫分子。

圖九：2個氫原子結合成1個氫分子。

　　請注意圖九是2個氫原子結合成1個氫分子，和2個氫原子「融合」成1個氦原子是截然不同的工作。
　　圖九的兩個氫原子都擁有2個電子，都滿足價電子數等於2的條件，如此便結合成1個穩定的氫分子，同時還能保持電中性。
　　宇宙間萬事萬物都在追求「穩定」──切記這個大原則。
　　即使價電子數目滿足2或8，在「原子」結合成「分子」的過程中，某些條件下「價電子」仍得以脫離原子的束縛，從而自由自在地在「分子晶體中」運動，這種電子就稱為「自由電子」。
　　自由電子愈多，導電與導熱的能力就愈強。
　　由於金屬原子結合成金屬晶體時，外層電子便脫離母原子成為自由電子，所以大部分金屬都擁有相當數量的自由電子，是極佳的導體。反之木、布、橡膠等非金屬物質，由於所含的自由電子數量極低，以致導電效果甚差。
電流
　　如果分子內的自由電子夠多，在「外電場」作用下，自由電子朝固定方向流動便形成電流。
　　形成電流最簡單的概念如圖十。

圖十：快速移動磁鐵，磁場可推動銅線中的自由電子流動。

　　發電機就是利用這原理產生電流(請參閱圖十一)──磁鐵N極與S極之間安裝轉動線圈，當線圈高速旋轉切割磁力線，磁場便會推動線圈中的自由電子流動。

圖十一：發電機示意圖。

　　如何推動「轉動線圈」旋轉？
　　如果利用水流由上往下的沖擊力量，那就是水力發電。
　　如果利用大型風車的轉動力量，那就是風力發電。
　　如果燃燒煤炭和石油使水沸騰，進而釋放蒸氣驅動渦輪機，那就是火力發電。
　　也別忘了萬事萬物追求穩定的大原則：自由電子由導體某個區域流出，隨即有等量的電子從其他區域流入；因而導線雖持續存在流動的電流，然而導線本身始終保持電中性。
　　另外，由於電線包覆在絕緣塑膠內，所以除非漏電，自由電子無法脫離導線，它們始終在導體內部流動。
　　如果把電線想像成一條管路，自由電子是塞滿管路的撞球，典型的電流通路便如圖十二：

圖十二：電路示意圖。

　　電就是推動撞球移動的力量。也因此電又稱「電力」，因為它是力量的一種。
　　自由電子「推力」的來源是發電機。
　　在推力作用下自由電子加速進入燈泡，撞擊鎢絲產生熱能，此時自由電子不會消失也不會減損，只是流動的力量因撞擊而減弱。
　　對工作端(燈泡)而言，自由電子必須有「進口」與「出口」，所以電線都是2條，電路也必須為「迴路」。
　　切記「迴路」這兩個字！
　　所謂迴路就是：從頭到尾連成一個圓。
　　迴路是電路工作的第一個條件。
　　第二個條件是推力，或更正確地說為「電壓」──電的流入端與流出端具備壓差。
　　沒有壓差就不會形成電流。
　　也因此，站在高壓電線上的小鳥雙腳即使形成迴路，然而由於流入端與流出端的電壓相同，所以電流不會通過小鳥的身體，沒有安全顧慮。

圖十三：小鳥可以安全地停在電線上休息。

　　但假如小鳥的兩隻腳橫跨在兩條電線，而這兩條電線的電壓不同，大量電流便會通過小鳥的身體造成觸電。
直流電與交流電
　　直流電的概念很單純──導線形成迴路，推力始終朝同一個方向加壓，自由電子始終在迴路中保持同一個流動方向。
　　觀念雖單純，不知讀友心中是否有以下疑問：發電廠離住家如此遙遠，難不成「單一迴路」從發電廠一直連到住家使用的電器？
　　如此一來交流電的作用原理又是什麼？
　　自由電子在迴路中「一會兒前、一會兒後」，這不會抵消彼此的動能嗎？
　　想要了解這問題，首應明白從發電廠到家用電器之間存在許多迴路(請參考圖五)，每一個迴路傳送的都是「壓差」，而為了減少傳輸過程中的功率損失，越接近發電廠的壓差越高，然後依序下降，直降到家庭使用的110伏特。

圖十四：發電廠到家用電器「迴路」示意圖。

　　電的傳送流程就是一個迴路接著另一個迴路作用。此外，電之所以有作用，主要原因是自由電子具備速度(動能)，能撞擊電器的電阻而產生熱能。
　　至於直流電，它的迴路有如水管的水流，自由電子始終朝同一個方向流動(圖十五)。

圖十五：直流電的流向示意圖。

　　請注意圖六，插頭插進插座的目的就在形成完整的「迴路」。
　　交流電則像瓶子裡面裝了半瓶水，使用者上、下反覆搖動水瓶，自由電子同樣可以產生動能。當然，此狀況在自由電子轉換流動方向的剎那電流歸零。不過，由於家用電的頻率為60Hz──每秒上、下搖動60次，此短暫停頓對電器有何差異？
　　就如同拍攝影片，每秒取24格便很精細，看起來不是和連續畫面一模一樣？
　　也因為交流電是反覆變換流動方向，所以沒辦法使用電池儲存其能量，也因而市面不存在交流電的電池。
　　所有電池都是直流電池。
　　至於交流電與直流電哪一個比較危險？
　　這問題的關鍵是電壓。
　　電壓越高就越危險。
　　由於家用交流電一般在110V ~ 120伏特，直流電池通常只有幾伏特，所以我們常錯誤地認為直流電比交流電安全。
　　其實只要電壓夠高，兩者都很危險；或電壓夠低，兩者都很安全。
　　又假如電壓相同，好比都是110伏特，何者較危險呢？
　　由於人體觸及交流電時，因電流反覆變換方向會產生「連續的肌肉症攣性收縮」，使得觸電以後人體會因失去控制而難以離開電源。
　　直流電只會在觸碰的瞬間收縮，不會重複收縮，相對來說比較安全。
　　
　　講到這就是我對電的了解，希望對你能有所幫助，進而讓你對這個奧妙的宇宙多一分認識。