第七章 力場之日：交流電與力線

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［他］為思想的閃電找到了一座橋梁。

——丹麥作家安徒生致亡友漢斯．克里斯蒂安．奧斯特（Hans Christian Ørsted）的悼詞

一陣臥室房門的敲打聲把我突然從睡夢中驚醒，我聽到：「起床啦！我們要錯過潮汐啦！」凌晨五點，這可不是我平常的起床時間。當時才十五歲的我哀哀叫著，但父親不會就這樣放過我。「我們現在得趕到碼頭去，動起來！」前天晚上，我們倆約好一早要去釣魚，但在約定的當下，我並沒有完全理解「早上」的實際含義。總之，潮水是不等人的。所以，可憐的我就這樣離開了床，去到了碼頭釣魚去！

小時候，我們全家旅行時會去紐澤西州的海邊度假，那裡離小蛋港內灣（Little Egg Harbor Inlet）很近。所謂的內灣或小港（inlet）指的是連接外部海洋與封閉水體（如海灣或河口）的狹窄水道。小型船隻通常會經由這種內灣入海。我父親經常開著他的休閒漁船從附近的內灣出發，進入海洋中的漁場。由於我們要靠內灣當作進出海的通道，所以要配合潮汐，抓準出入的時間。

經常在這些沿海內灣開船的人對海流的起落與轉向都很清楚。受到地球自轉和月球引力的共同作用，海平面會規律地上升和下降。這些起落的潮汐會將海水推向海岸內灣，然後又將海水拉出。在僅僅六個多小時的時間內，內灣的海水就會轉換方向流動，就這樣一來一回地反覆著，這樣的海水循環就跟月球一樣古老。潮汐的周期略微超過十二個小時，海水在完成一個週期後會回到起點，因此在一天二十四小時內約莫會有兩個完整的潮汐週期。開船的人會特別留意這些海流週期。他們在安排海上活動時，會善加利用海水流經內灣的強度和方向。要是不注意潮汐循環，恐怕有擱淺的風險。

而對那些在大洋上航行的海員或水手來說，海流的週期變化似乎很自然。他們對這背後的運作機制不會想太多，就這樣接受洋流是以一種可預測的循環模式在變化方向，是大自然對地球作用——重力作用在移動物體上——的結果。當他們在進入內灣時，不必猜想海流的可能方向。他們早已知道——只要將他們的航行時間比對海流運動的週期表即可。事實上，他們非常慶幸海流的週期是可以預測的……不像天氣。

同樣地，從事跟電有關的人士也很熟悉交流電的概念。他們知道直流電（direct current，簡稱DC）就是電池產生的那種電流，是種僅沿著一個方向流動的電流。而交流電（alternating current，簡稱AC）則是從牆壁上的插座出來的電流，會先沿著一個方向流動，然後切換方向，往相反方向流動，就像潮汐一樣，只是速度更快，非常快。流過沿海內灣的海流每天只有兩個週期，而標準的交流電每秒有六十個週期。確實非常快。

船員都很自然地接受海流方向逆轉是內灣航行時的常態，但並所有電氣專家和工程師最初都願意將交流電當作是電流傳輸的常態。有人認為，就技術層面來看，交流不如直流，還有人聲稱這在使用上非常危險。所以當年曾經引發很大的爭議。事實上，在一八九〇年代，在愛迪生（Thomas A. Edison）和威斯汀豪斯（George Westinghouse）這兩位商業鉅子間曾爆發了一場虛擬的「電流大戰」，雙方陣營極力爭奪自家電流作為美國送電的標準。

愛迪生偏好直流電，主要是因為他已經擁有許多使用直流電的電氣發明專利，而威斯汀豪斯則青睞交流電，因為他當時得到了愛迪生的死對頭，也就是傑出電氣工程師尼古拉．特斯拉（Nikola Tesla）的幫助，以交流電來繼續研發相關事業。熟悉這場在交流對直流間的電流大戰的人會說，愛迪生最終輸掉了這場戰爭，由威斯汀豪斯贏得勝利，這就是為什麼現在全球的送電方式都是透過交流電。這就是故事的結局。上述這一切都沒錯……除了一點：這故事並不是到此就結束。

如果你跟大多數人一樣，那現在房間裡可能也擺有手機或筆記型電腦的充電器，甚至可能正在為眾多電子設備中的其中一個充電。若真是如此，請你過去摸一下充電器的外殼。我在這裡等你回來。

摸起來有點溫熱吧？充電器之所以會發熱，是因為當中有一個變壓器（transformer），等將輸入的110伏特（典型的美國家用電壓）降到5伏特，再行輸出，然後還有一個整流器（rectifier）或轉換器（converter），用於將家用的交流電流轉換為直流電，這樣才能夠為電池充電，讓電子設備運作。充電器外殼之所以變熱，是因為在這種緊密包裝的狹小空間內進行電流轉換的效率很低，能量會以熱量的形式被浪費掉。將充電器浪費的能量乘上全世界的充電器總數，會發現光是為個人電子產品充電，就在世界各地造成大量能源的浪費。因此，在用電端將交流電轉換為直流電的過程顯然不算是「綠電」。

再者，既然我們有部分電源是以化石燃料來發電，甚至可以說這種方式會留下不少「碳足跡」（carbon footprint）。那麼這些與交流電和直流電有什麼關係呢？所有這些在用電端的電流轉換都是必需的嗎？這顯然會讓我們付出浪費能量的代價。

問題是所有真正的「電子」設備都需要直流電才能運作。這是因為按定義來說，「電子設備」（electronic devices）是靠電晶體（transistors）——一種微型的電子開關——運作的電器。而現在幾乎所有電器中都裝有電晶體，因此幾乎所有用到電的東西多少都裝有一些電子元件。這些電晶體根本不能利用交流電。它們只能使用電池提供的直流電源，不然就得先將家用交流電轉換為直流電為其供電。

相較之下，洗衣機、廚房用攪拌機和電動車庫門等內建有馬達電動機的電器，一般都可直接使用交流電來運作。但今日就連這些家電設備也開始內建有電子控制器，因此在其內部也要將部分交流電轉換為直流電，才能供電給運轉這些設備的控制元件。即使連家用的照明設備對直流電的需求也不斷增加，因為雖然舊型的白熾燈泡兩種電都可以使用，但正在迅速取代它們的現代化發光極管（light-emitting diode，簡稱LED）卻不能。LED燈僅使用直流電。

這一切都突顯出一個事實，隨著電子設備使用的增加，我們在日常生活中會更常用到直流電，而不是交流電。有人估計，在二十年內，直流電的用量可能會超過總用電量的50%，然而用電端將交流電轉換為直流電的效率很低，這將會耗損大量的能源成本。但當年是由威斯汀豪斯的西屋公司贏得了電流大戰，交流電遂成為國家電網送電的標準電流。不過，究竟為什麼一開始會有人想要用交流電的形式來發電呢？

之前提過，最初發電的方式是摩擦兩種不同的材料，並收集這過程中產生的靜電。在富蘭克林時代，靜電是人工造電的主要來源。這種電流僅會朝單一方向流動，按定義來說，這就是直流電。後來，伏打發明的電化學電池提供了一種新的電力來源。電池的電流同樣也是從電池的正極到負極，沿著單一方向連續流動，因此也是直流電。直到後來發明了另一種產生電流的方法——電磁感應（electromagnetic induction）——交流電才算是正式登場。