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发信人: Querida (业精于勤), 信区: Physics 标 题: Re: 高壓線、微波爐及電磁武器 发信站: BBS 珞珈山水站 (Wed Jul 12 22:01:00 2006) 灭有看到是台湾啊 不过我转化了一个，你可以看看 高压线、微波炉及电磁武器Q&A 文/朱国瑞 过去一年来，作者以‘微波及微波的应用’为题，在多所大学作通俗科学演讲。听众大都 是高中同学和社会人士，他们的问题生动有趣，讨论的时间，往往比演讲还长。演讲内容 已刊载于国科会‘科学发展’月刊。这里再将当时和听众的交谈作一整理，为本期双月刊 提供一些轻松的话题。谨此感谢高雄应用科技大学李旺龙教授及吕淑雅、林士雄二位助理 费心整理录音纪录。本系多位同学对初稿提出宝贵意见，在此也一并致谢。 高压线 Q1：高压线如何传输能量? A：高压线是两条平行导线构成，它的规格通常用电流及电压表示，这两个量可以用来计算 传输的功率，但不足以显现能量的传输机制。从物理角度来看，高压线是藉着周围的电场 和磁场来传输能量。高压线附近的电磁场称为近场(near field)，其中的磁场主要由导线 中的电流产生(电流方向一正一反)，电场主要由二线之间的电压差产生，二者正好相互垂 直，以光速沿线流动(称为Poynting vector)，因此可以传输能量。电压和电流以60 Hz的 频率变化，但因为电场和磁场的方向一起跟着变，能量维持在同一方向传输。 这样看来，高压线的四周像是一条电磁场的大洪流，高场强区的横截面半径大约等于二线 之间的距离。反而是导线内的电磁场系垂直于表面向内传播，并且迅速变为热能，所以导 线的里面，不仅不能传输能量，还会造成欧姆损耗，甚至连线内损耗掉的能量也是从线外 的电磁场传输进去的。 除了高压线外，只要是传输能量的一对导线，不论是否平行排列，都是利用线外的电磁场 作为传输工具，从插座接到家用电器的两条导线，是常见的例子。即使是直流电，也有电 压差及电流，二线周围的静电场和静磁场照样可以藉Poynting vector传输能量，否则汽、 机车电瓶里的能量就无法送到前端的照明灯了。 Q2：高压线如何使人触电？ A：相对于地面，高压线上的电压高达几万甚至几十万伏。电场值是电压差除以距离，假如 一个人脚着地，把手伸向一条高压线，等于把地面移向高压线，手和线越接近，其间的电 场越强，接近到某个程度，电场会将空气中少数的游离电子加速到足够能量，把中性分子 中的电子撞出来，再将这些电子一起加速，撞出更多电子，产生连锁效应，顿时在手和线 之间造成一条导电通道，而人体和地面对60 Hz的低频电源也是导体，电流因此经由通道和 人体传入地面，人就像被雷击一样。两条高压线之间要有相当距离，就是为了避免彼此之 间的电场太强，而高压线的危险性不仅在于碰到线会致命，而是一进到电磁场的洪流区就 有触电的可能。 Q3：住在高压线附近的人，虽然不会触电，但长期曝露在高压线产生的电磁场中，是不是 比较容易罹患癌症？ A：有些个案研究认为高压线有导致某种癌症的危险，也有报导指出，某一区住在高压线附 近的居民，癌症患者人数高于平均，因而造成许多的诉讼案件，而电力公司也不知为此作 了多少疏通的工作，诉讼和疏通的费用都非常庞大。 高压线是否会导致癌症，是一项极为艰巨和费时的研究工作，虽然目前仍是一个全球性的 研究课题，但究竟已进行了数十年之久，相关文献已具参考价值。美国物理学会在检视现 有的疾病分布和生物研究资料，以及参阅其他小组对高压线致癌的评估报告后，认为这些 资料和报告并未显示高压线和癌症之间的科学关连性，因此于1995年及2005年两度发表声 明，要点是：‘曝露在任何环境因素之下，都不可能绝对证明其无害于健康，但是要作出 某一环境因素有害健康的结论，仍必须举证二者之间一致的、有意义的、和互为因果的关 系。基于此一观点，高压线导致癌症的臆测尚无科学依据’(“While it is impossible to prove that no deleterious health effects occur from exposure to any environ mental factor, it is necessary to demonstrate a consistent, significant, and c ausal relationship before one can conclude that such effects do occur. From th is standpoint, the conjectures relating cancer to power line fields have not b een scientifically substantiated.”)。这份措辞严谨的声明也反映了其他一些学术和 公益团体对此问题的看法。 微波炉 Q4：微波炉如何加热食物? A：微波进入任何物质，都会带动里面的电子，撞击邻近分子，或多或少都有加热的效果。 但介电质中的电子被原子核束缚住，位移极小，电场对它作的功也很少。微波炉的快速加 热，靠的是水分子的大动作。水分子和一般原子、分子不同，它天生就有电偶极。没有外 加电场的时候，各个水分子的电偶极排列很絮乱。把微波炉打开，里面就有电磁场，电偶 极在电场中受到力矩作用，会朝着电场方向转动，电场的方向不断改变，水分子的方向也 跟着改变，不断的反覆转动。相较之下，一般的原子和分子只有在电场中才会感应出电偶 极，而感应产生的电偶极是朝着电场方向的，受到的力矩为零，因此不会转动。 多转动一次，并不表示就会增多一点能量。水分子在交流电场中反覆转动，是有序的‘受 力振荡(forced oscillation)’，能吸收也能回传能量，很快就会达到平衡状态。并且， 这种有序的动能也不叫作热能。热能是乱无秩序的动能(例如空气中分子的运动)，有序的 动能要靠碰撞，才能转换为热能。所以水分子在转动的时候，必须和其他分子(包括其他水 分子)挤在一起，相互擦撞，才会产生热能。一旦成为热能，就无法再回传给电场，温度因 此持续上升。比如一块肉，电场让里面的水分子转动，去挤动旁边的肉分子，水和肉都热 了起来。一杯水也可以加热，换成水蒸气就无法加热了。冰块是固体，里面的水分子转动 不易，加热很慢，但表面多少会融化出一点液体，所以冷冻食物在微波炉里加热，常常外 热内冷。 Q5：微波炉为什么选择2.45 GHz的电磁波? 是否会干扰通讯? 为什么加热速度快? 为什么 省电? A：微波的频率范围很广，介于0.3 GHz 和300 GHz之间。用微波加热，不但要微波能进到 食物里面，还要能被吸收。频率太低，吸收太慢；频率太高，吸收太快，以致在表面上就 被吸收，进不到里面。微波炉的频率(大都是2.45 GHz)，就是在这两个考虑下的折衷选择 ，这是微波加热的专用频率，不会干扰通讯。 传统烤箱是先加热食物表面，再靠传导加热内部。微波则能直接进到食物里面，各处同时 加热，所以加热速度快得多。加热腔的四周是金属腔壁，2.45 GHz的微波可以渗入腔壁约 0.002毫米深度(skin depth)，电场在这个薄层内驱动电流，其强度恰好能把微波反射回去 ，由于腔壁是良导体，电流的欧姆加热效应很小，腔壁热不起来，因此微波大部份都在加 热食物。这种加热方法效率高达50%左右，比传统烤箱的加热效率(约10%)大得多，所以也 省电。 某些原子或分子对某些特定频率反应特别激烈，产生共振吸收现象。2.45 GHz并非水分子 的共振频率，共振吸收也非(但常被误解为)微波炉的加热原理。 Q6：用微波炉加热食物为什么有时冷热不均？ A：前面提到，2.45 GHz的微波，不但能进到食物里面，还能被快速吸收。尽管如此，还是 不能面面顾到。例如微波炉内部的加热空间是一个共振腔(cavity)，微波在里面形成驻波 结构，有些地方强，有些地方弱，造成加热不均。食物放置在一个转盘上，就是为了避免 它一直停留在驻波最强或最弱的地方。共振腔壁不用弧形的，是避免弧面的聚焦作用。另 外，食物所含的水份有多有少，吸波系数有很大的差别，若吸收特别快，里面还没加到热 ，微波就已经被表层吸收掉了。食物内部的水份也可能分布不均，加热后，里面反而特别 烫。 加热不均不只是影响口味，还可能伤到身体，例如不小心吞下外温内烫的食物，灼伤肠胃 ，或者有的地方还有病菌未被杀死，就吃进肚里。 Q7：微波炉漏出的辐射对人体会不会造成伤害? A：就频率而言，微波属于非游离性辐射，亦即其光子能量太小，没办法破坏身体的细胞组 织，但辐射太强仍会造成灼伤。相较之下，游离辐射(如X光)的光子能量大，会破坏细胞组 织的化学键，导致癌症等，不过也需累积到一定的剂量才会如此。微波是以瞬间强度(单位 面积通过的功率)为安全标准，游离辐射则以累积剂量为安全标准，例如单位体积的空气中 ，在照射时间内，被游离分子的累积总数。 高强度微波造成灼伤，属于显而易见的热效应(thermal effect)。轻度微波不会灼伤人， 但长期曝露其下，是否会产生诸如头痛、焦虑、疲劳、失眠等非热效应(non-thermal eff ect)，则是一个争议极大，目前尚无定论的问题。微波的非热效应，是设定微波炉安全标 准的因素之一，由于各国对此效应的认知不同，所规定的安全标准也不相同。美国的标准 是离开微波炉表面5公分处，辐射强度不得高于每平方公分5毫瓦，俄国的标准则严得多。 在政府单位的管制下，正常微波炉外泄的辐射强度是低于规定值的。 微波炉有时受到损坏，门关不紧，自动断电机制也失灵，不小心拿来用，大量微波就会露 了出来。最可能发生的情况是人感觉到烫，马上闪开，不致造成重大灼伤。体内的血液流 动还有冷却效果，可以保护身体。但是微波外泄绝非小事，严重的灼伤，无法痊愈，眼球 的水晶体中没有血管，比较容易受到灼伤(例如造成白内障)，尤其要避免微波的照射。 微波炉的发明，其实还得归因于微波的外泄。1946年，美国Raytheon公司的雷达工程师Dr . Percy LaBaron Spencer在测试微波发射器时，受到轻度的微波照射，口袋里的糖融化了 ，使他想到微波加热的用途。他的公司于1947年制造出第一个微波炉，几乎有一个人高， 重达三百多公斤，价格5000美元，还需要用水冷却。二十年后，微波炉才成为实用的家电 产品。1999年，Dr. Spencer被选入发明家名人堂，成为历史人物。 Q8：微波加热会不会破坏食物的分子，对人体造成间接伤害？ A：用微波炉烹煮食物，特别热的地方，食物的分子结构可能会被破坏。其实煎和烤破坏的 程度更厉害，不过都不如吃进肚子后，遭到肠胃分解的破坏来得大，所以破坏不一定就是 有害，目前并无确切证据显示微波加热会产生有害食物。烹饪技术之一就是如何把食物的 分子结构破坏得宜，让它口感更好。就美食观点而言，微波加热达到的温度较低，对分子 的破坏力较小，即使是名厨，也难以发挥手艺。 Q9：电视上曾看到，用微波炉加热的水会突然‘爆炸’，这是什么原因？ A：某些情况下，微波炉可以把一杯水加热到沸点以上，却完全没有沸腾的迹象，拿出来轻 轻一碰就突然大量喷出，像爆炸一样。因为意想不到，常常烫伤人。 水随时都在蒸发，但那只是表面上和大气接触的水。内部的水没有汽化的空间，若要化成 蒸气，需要‘种子’来促成，这些种子，就是汽泡。极烫的容器表面、粗糙的容器表面、 或杂质附近，有助于形成汽泡。汽泡产生后，它四周界面上的水就有了汽化的空间，于是 蒸发到汽泡内；温度越高，蒸发越多。 在一般火炉上烧开水，因为锅底温度特高，容易产生汽泡。汽泡在浮出水面时，沿途的水 不断蒸发到汽泡内，最后一起逸出水面，水温到了沸点后，汽泡源源不绝的逸出，热量全 部用在蒸发上，温度不再上升。相较之下，水在微波炉中加热均匀，没有特别热的接触点 ，也没有对流，若杯面平滑，水中杂质也不多，气泡就无法形成，内部的水因此无法靠蒸 发散热，温度可以一直上升到沸点以上[称为‘超热(superheated)’状态]。超过沸点的水 ，外表看来，没有一点动静，一旦受到触动，内部会产生一些汽泡，大量的水骤然蒸发到 汽泡里面，使汽泡瞬间涨大，几乎将整杯水挤了出来，造成电视上看到的爆炸现象。水和 咖啡等饮料，放在微波炉里加热，千万要小心。若是热过了沸点，摆一块糖进去或用汤匙 搅动，就会触发这种现象。 电磁武器 Q10：是否有一种武器，可以产生很强的脉冲电磁波，破坏电子器材？ A：这种武器俗称电磁炸弹(E-bomb)，射出的是电磁波，可依频率分为两类：朝特定方向发 射的微波炸弹(频率约几个GHz，波长10公分上下)和有如闪电四射的低频波炸弹(频率低于 1 MHz，波长300公尺以上)，功率都高达1010瓦以上，比一个城市的供电量还高，所以只能 维持一瞬间(微秒至毫秒)，在高空，得用炸药提供瞬间能源。 电磁炸弹射出的若是微波，可以直接进入电子器材(甚至还会在里面短暂累积，形成驻波， 有如微波炉的共振腔)，或者在衔接于器材的电路上激发驻波，再耦合到器材里面，藉放电 或欧姆加热等机制，烧坏里面的敏感零件(例如电晶体)。射出的若是低频脉冲波，由于波 长太长，无法直接进入器材，但可以在输电及通讯网路上，藉磁通量的快速变化，感应出 仟伏以上的尖峰电压，从电源或信号线，渗入与网路连线的电子器材，使器材不胜负荷。 据一般评估，微波炸弹的威力较强。 在敏感仪器的外围覆盖电磁波屏蔽，可以减少微波进入。但通讯及雷达器材总得留一个微 波出入口(天线)，屏蔽上也有冷却洞口，所以还是有一些微波进得去。器材深藏在地下， 微波也可以沿着通风洞进去。至于经由电源或讯号线进来的脉冲电压，可以用隔离电路保 护，即使如此，也可能连同器材一起被破坏。将电磁炸弹用飞机或巡曳飞弹投射到目标区 上空引爆，有潜力破坏数百公尺范围内的雷达、通讯及电脑等器材，在大举侵犯前就瘫痪 敌人，并且不造成人员的伤亡。 这种武器确实很吸引人，许多国家都投入了高额经费作这方面研究，有的国家业已进行了 几十年，报纸上也常常把它描述为超级武器。电磁炸弹是先进国家的秘密武器，相信已有 雏型存在，可是要达到大家想像中的威力，据悉还需要不少物理和技术上的的突破，例如 功率和脉冲时间的提升、功率的有效输出和避免弹体内部放电等等，都是困难重重的问题 。 Q11：是否有一种用电磁波照射人体的武器? A：美国已经发展出这样的武器，准备用来驱退群众，并且试验过，但是还没有实地使用过 。它用一种称为回旋管(gyrotron)的新型波源，射出95 GHz的毫米波。频率选择95 GHz， 一方面是因为大气在这个频率附近的吸收率较低，另方面是波长只有3毫米左右，可以用轻 便的碟形天线控制方向，俾可将整个系统装在卡车上。目前还在设法将尖峰功率提升至百 万瓦级，轻便度也有待改进。 美国军方曾在慎密控制的情况下，用这种武器对志愿者作过实验。人的身体被照射了约两 秒钟，就好像被热锅烫到一样的痛苦，可是电磁波只集中在表皮约0.3毫米的深度，刚好触 及痛觉神经最敏感的地方，进入体内的能量并不多，关掉后疼痛即止，没有什么伤害，眼 睛会直觉式地闭下，也没有受到伤害。在真实情况下使用，伤害恐怕还是难免。这种武器 和前述的微波炸弹通称为‘定向能量武器(directed energy weapon)’，前者对人，后者 对器材，类似的武器还有超高功率雷射等，均被归类为非致命性武器。 作者简介 朱国瑞 清华大学物理系教授，中央研究院院士 e-mail: krchu@phys.nthu.edu.tw 【 在 lsyw (蓝色鸢尾) 的大作中提到: 】 : 怎么不是简体的？ -- ※ 来源:·珞珈山水BBS站  http://bbs.whu.edu.cn·[FROM: 147.8.183.*] |
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