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交流電、變壓器與通往光的躍進

把一切整合起來——牆內的交流電、把電力送過整片大陸的變壓器——再順著感應的邏輯,追到馬克士威登峰造極的發現:光本身就是電磁波。

交流電與均方根

由於發電機天生產生正弦波,你牆內的電是交流電(AC):電壓與電流平滑振盪,每秒反向許多次。臺灣的市電約為 110 V、60 Hz。但這 110 V 並非波的峰值——它是均方根值,也就是能輸送相同平均功率的等效穩定電壓。

V_{\text{rms}}=\frac{V_0}{\sqrt{2}}, \qquad P=V_{\text{rms}}\,I_{\text{rms}}

均方根值等於峰值除以 √2,因此 110 V(rms)的電源實際峰值接近 155 V。平均功率用均方根值計算。

均方根的用處在於方便:有了 V_{\text{rms}}I_{\text{rms}},你就能直接沿用熟悉的直流功率公式,而 P = V_{\text{rms}} I_{\text{rms}} 給出送到電阻的真正平均功率。市電標籤或萬用電表上的每個電壓,都是均方根值。

變壓器

現在來看讓交流電勝出的那台機器。把兩個線圈繞在共用的鐵芯上。把交流電灌入初級線圈,其變化電流驅動鐵芯內的變化磁通量;這共用的磁通量穿過次級線圈,依法拉第定律在其中感應出電動勢。由於兩個線圈每匝感受到完全相同的 d\Phi_B/dt,它們的電壓便與匝數成比例。

\frac{V_s}{V_p}=\frac{N_s}{N_p}, \qquad I_p V_p = I_s V_s

變壓器方程式。電壓隨匝數比縮放;對理想變壓器輸入功率等於輸出功率,因此電壓升則電流降。

能量守恆一錘定音:對理想變壓器,輸入功率等於輸出功率,所以若電壓升高某個倍率,電流就降低同一倍率。關鍵在於,變壓器需要變化的磁通量,因此它只對交流電有效——而這種線圈間的耦合正是互感的一個例子。就是這唯一的限制,讓交流電、而非直流電,成了電網的通用語言。

躍向電磁波

法拉第的發現是:變化的磁場會產生電場。馬克士威補上了對稱的另一半——變化的電場會產生磁場(透過他所稱的位移電流)。與先前的電學與磁學定律組裝在一起,這些便成為馬克士威方程組,電磁學完整的規則手冊。

其後果令人屏息。變化的電場產生磁場,磁場的變化又產生電場,電場的變化再產生磁場——兩個場彼此再生,能在沒有電荷、沒有導線、根本沒有介質的空無中一路行進。馬克士威從實驗室量得的兩個常數,算出了這種自我維持之波的速度。

c=\frac{1}{\sqrt{\mu_0\varepsilon_0}}=f\lambda

電磁波的速度,由真空的磁常數與電常數組成——而算出來的結果恰好等於光速。

那個數字算出來是 3\times 10^8 m/s——正是量得的光速。結論無可迴避:光就是電磁波。驅動你烤麵包機的同一種感應,推高到每秒數兆赫,就是無線電、微波、可見光、X 射線與伽瑪射線——整個電磁波譜電磁波,就是掙脫了導線的感應。