- 光電子學（Optoelectronics） 2009/08/29
光電子學（Optoelectronics）
台中縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯所謂光電子學就是一門結合光子學(photonics)與電子學(electronics)的科目，因此它是一種利用電子儀器來發出光、偵測光或控制光，所以主要可以分成：發光元件、吸光元件或偵測光元件以及控制光元件。目前以光電子學為基礎的工業被稱為光電產業，是台灣發展兩兆雙星的重點產業，是繼新竹科學園區發展出的晶圓代工為基礎的半導體產業，另外一個新興的高科技產業。
發光元件以雷射(laser)、發光二極體(light-emitting diode，LED)、有機發光二極體(organic light-emitting diode，OLED)與液晶(liquid crystal，LC)為主。它的工作原理為利用電能轉換成光能，因此又被稱為電激發元件。雷射自從被發明後，就因為它的同調性迅速成為研究與應用的利器，目前以醫學手術、影音光碟、學術研究的使用最多。液晶目前使用在聲光影音系統為最多，如手機與電視。發光二極體則往固態照明進攻，企圖以取代白熾燈泡與日光燈為目標。 吸光元件以光偵測器與太陽能電池為主，利用愛因斯坦的光電效應，把光能轉換成電能，是太陽能電池的主要精神，近年來因為能源短缺油價飆漲，因此新起了一股研究與製造太陽能電池的熱潮。
而把光訊號變成電訊號則是光偵測器的精神，其中以光二極體(photo diode)應用最廣，它的原理是利用二極體吸收光而產生電子電洞對，對外輸出電能。 控制光元件以光通訊為主，目前的海底光纖網路就是一種長程光纖通訊(long distance optical fiber communication system)，長程通訊為因應光纖低損耗(low loss)與低色散(low dispersion)的性質，因此使用光源為波長1300奈米或1500奈米的紅外線雷射。還有最近發展出來的塑膠光纖(Plastic Optical Fiber，POF)是一種短程光纖通訊系統(short distance optical fiber communication system)，光源可以是雷射或發光二極體，主要使用波長為850 奈米的紅外線或其他波長所構成的光纖到家(Fiber To The Home，FTTH)。)系統。
- 可見光譜 2009/08/29
可見光譜 (Visible spectrum)
臺中縣縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯可見光譜指的是電磁波段在人眼睛可以看到的波段 (380-750 nm)，對應到的頻率為790-400 兆赫（tera hertz，簡稱為THz）。對人眼而言，最敏感的波長為555 nm，對應到的頻率為540 兆赫，屬於綠光的波段。
上圖為我們利用稜鏡把白光色散開，形成顏色的光譜。類似的情形可以在虹與霓、肥皂泡膜中看見類似的色散(dispersion)現象。
上圖為牛頓在1704年寫的一本書Opticks中，率先揭示白光是由各種色光所組成。藉由牛頓的稜鏡實驗，我們可以得知白光的頻率並非單一值，而是一個波段，因為各種色光的頻率與在稜鏡中的速度並不相同，因此藉由通過稜鏡可以使各色光散開的原理稱為色散。
把白光分波段並不是一個精確的作法，因為各色光之間其實並沒有明顯的界線，但我們還是可以大約的分成幾個波段：
1.紫光(violet)，波長 380–450 nm，頻率668–789 THz。
2.藍光(blue)，波長450–495 nm，頻率606–668 THz。
3.綠光(green)，波長495–570 nm，頻率526–606 THz。
4.黃光(yellow)，波長570–590 nm，頻率508–526 THz。
5.橘光(orange)，波長590–620 nm，頻率484–508 THz。
6.紅光(red)，波長620–750 nm，頻率400–484 THz。1931年在澳洲舉辦的國際照明委員會(International Commission on Illumination ，通常簡稱為CIE，法文為 Commission internationale de l’eclairage)利用一個類似蝴蝶翅膀的二維座標，把三原色（紅R約 650 nm、綠G約 550nm、藍B約 450nm）當成是三個座標的組合：
X=0.490R+0.310G+0.200B
Y=0.177R+0.812G+0.011B
Z= 0.010G+0.990B
因此，經由色度座標即可定量組合出所有的顏色。在實務操作上，我們藉由控制紅綠藍(RGB)三原色的量混出全域的顏色，例如：彩色顯示器（螢幕、電視…等）也是利用三原色製造出其他顏色。如果將三原色等量混合，則可製造出白光的效果。太陽光中約46%是可見光，在經過大氣層時，可見光幾乎不被吸收。因此在使用望遠鏡進行太空探測時，可見光波段可以避免大氣的吸收。
參考資料
1. http://en.wikipedia.org/wiki/Visible_spectrum
2.http://en.wikipedia.org/wiki/Int … ion_on_Illumination - 變壓器（Transformer） 2009/08/29
變壓器（Transformer）
台中縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯
變壓器是一種能將一個電路的電能轉變到另一個電路，經由感應線圈。導體通常連接到一個鐵芯，在主線圈的時變電流會在變壓器的線圈內產生時變磁場，這個時變磁場會在次線圈產生時變電壓或感應電動勢，這個效應稱為互感。
電極封裝程成桶狀的單相變壓器，中心扣著次線圈，使用接地導體當做主線圈的一隻腳。
如果次線圈連接到負載，次線圈會產生電流，而電能會由主線圈傳到負載。在理想變壓器中，次線圈的感應電壓VS會正比於主線圈電壓VP，這個比值會等於次線圈的匝數比上主線圈的匝數，
恰當地選擇匝數比，如果NS大於NP，就能夠使交流電的電壓逐漸升高，如果NS小於NP，就能夠使交流電的電壓逐漸降低。 變壓器的大小變化範圍很大，小到像大頭針一般，它可以藏在麥克風裡面，大到數噸重的國家電力輸送網的連結部份，雖然大小不同，但是它們的操作原理都相同。雖然現在已經有新的技術發明出來取代變壓器的作用，但是在家用電路中，變壓器仍被使用著。變壓器對基礎高壓輸送是很重要的，對長途的電力輸送而言，仍具有相當經濟價值。 Continue reading →- 電磁波譜（Electromagnetic spectrum） 2009/08/29
電磁波譜（Electromagnetic spectrum）
台中縣縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯電磁波譜的範圍是根據愛因斯坦光量子論所描述:
f=c/f=E/h 其中h 為普朗克常數
因此頻率由低而高可以分成以下幾種:
1.無線電:波長可由數百公尺到數公尺。可由天線所產生，可以由調變振幅或頻率所產生，如AM與FM。
2.微波:可以被具有偶極分子所吸收，可以做成生活中的無線網路Wi-Fi、捷運悠遊卡、ETC等。
3.兆赫輻射:頻率為兆赫(Terahertz)的電磁波。
4.紅外線:又可稱為熱線。當熱以電磁波的方式傳播時，即是以電磁波模式傳遞。波長為1 mm到750 nm，可分為遠紅外(此部份也可稱為無微波)、中紅外與近紅外(與可見光接近)。
5.可見光:又稱為色光，波長為760 nm 到380 nm，因為可以為人眼所見，所以稱為可見光。分別為紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫。彩虹是可見光譜典型的表現。
6.紫外線:在紫光的末端與X光的前端。陽光中含有部分紫外光，因此若直接或長時間曝曬容易導致皮膚癌，也有可能破壞DNA中的結構導致基因異變。在醫院裡，常被用來殺菌。
7.X光:侖琴發現，具有穿透性，故常被用來外科做穿透攝影術。中子星或部分黑體可以輻射X光。可以分為硬X光與軟X光。
8.γ射線:能量比X光還強的電磁波，是Paul Villard在1900 年所發現的，它的波長可由康普頓散射而量得。它是由能量最強的光子所形成，因此波長沒有下限。
波長比無線電更長的波也可以稱為長波，比γ射線更短的波也可以稱為高能γ射線。或用下列的稱呼方法:
γ:射線、HX:硬X光、SX:軟X光、EUV:極紫外、NUV:近紫外、NIR:近紅外、MIR:中紅外、FIR:遠紅外、EHF:極端高頻、SHF:超高頻、UHF:極高頻、VHF:非常高頻、HF:高頻、MF:中頻、LF:低頻、VLF:非常低頻、VF:聲頻、SLF:超低頻、ELF:極低頻
- 法拉第定律（Faraday’s Law） 2009/08/29
法拉第定律（Faraday’s Law）
台中縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯全名為法拉第感應定律(Faraday’s law of induction)，是法拉第(Michael Faraday)在1831年所發現的，另外亨利(Joseph Henry)也幾乎在同時發現類似的定律，但是由法拉第率先發表。後來，馬克斯威(Maxwell)也把它歸納進入馬克斯威方程式(Maxwell equations)中，用來描述時變磁場與感應電場間的關係式。 Continue reading →
- 磁通量（Magnetic Flux） 2009/08/29
磁通量(Magnetic Flux)
台中縣立中港高級中學物理科中港高中物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯所謂的磁通量，指的是垂直通過線圈的磁力線數目，通常用
表示，在均勻磁場中，若線圈的面積為A，則
為: 
(其中θ為面積A的法方向和磁場B的夾角) 其單位為
，因此，磁場B也等於
，其意義為單位面積內，垂直通過磁力線的數目，故也可稱為磁通量密度(Magnetic flux density)。 藉此，我們便可解釋冷次定律與法拉第定律。
冷次定律:若磁鐵和封閉線圈有相對運動，線圈便會產生感應電動勢，而造成感應電流，此感應電流會使線圈產生磁場，以抵抗原磁通量的變化，由此看來，感應電動勢和電流所作的功率為
，此能量並非憑空出現，而是由移動磁鐵所作的功來提供，因此，這仍為能量守恆的行為。 法拉第定律:電磁感應產生的感應電動勢等於磁通量的變化，故可知道感應電動勢
(負號表示 的方向為磁通量改變的反方向)，由此我們便可推得導線切割磁力線的感應電動勢為:
(在此只討論大小，故負號可省略) (其中L為導線長度，v=dx/dt為導線移動的速度) 與電力線不同的是，磁力線必為封閉曲線，我們知道磁力線並不會向外擴張，從原點出發，必會回到原點，若現在以一球殼包覆磁力線，我們會發現，若有一磁力線穿出球殼，必有一大小相等方向相反之磁力線穿入球殼，兩者彼此互相抵消，根據磁通量的概念，此情形會使得球殼面上的磁通量為零，因此我們知道，要符合磁場並不會向外發散或往內收聚這樣的現象，必定同時存在N極和S極，藉此可證明磁單極並不存在(或是尚未被發現)。 在量子力學中，磁通量是可被量子化的，此量子化的行為具有量子化之特性與現象，通常在超導體中發生，而磁通量的最小單位稱為磁通量量子(Magnetic Flux quantum)，通常以
表示之，
為一常數(約為2.07<×10−15; 韋伯)。
五.參考資料
http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_flux- 電磁爐（Electric Oven） 2009/08/29
電磁爐（Electric Oven）
台中縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯電磁爐是一種利用電磁感應加熱(Induction heating)的原理，將電能迅速轉為熱能的器具。 電磁感應加熱(Induction heating)，是一種利用電磁感應，讓金屬導體產生渦電流後，經過電阻產生電流的熱效應，藉此加熱金屬的一種現象。
通常讓電磁爐加熱的皿器會使用電磁體(可導電又屬於磁性物質的物體)，例如鐵鍋、不鏽鋼鍋。 再來我們討論渦電流，假設有一長L的空心鋁管，現在有一個鐵製的小球和一塊小磁鐵，將空心鋁管直立後，我們先將鐵製小球從頂部投入鋁管，會發現鐵製小球一下子就從底部掉出來，再來我們將小磁鐵投入鋁管中，會發現小磁鐵要經過若干時間後才會從底部掉出來，這是電磁感應產生的結果，磁鐵在鋁管內往下掉的時候，對於鋁管內的某一點來說，磁場一直在改變，此時，因為導線切割磁力線，產生了感應電動勢，電動勢在鋁管內又會產生感應電流，此感應電流即為渦電流，最後渦電流(根據冷次定律)會產生一感應磁場來抵抗磁通量變化，因此小磁鐵才會慢慢掉下來。
電磁爐內部有許多金屬線圈(一般為銅線)，如下圖，現給予線圈一交流電，讓電流不斷改變的同時，磁場亦隨之改變，此時鐵鍋底部便會產生一抵抗磁通量變化的渦電流，再經由電流的熱效應，讓鐵鍋的溫度可以迅速上升，也因為必須藉由電流的熱效應，像銅鍋這種電阻小的金屬是不適用的。
瓦斯爐那種藉由燃燒液化石油氣所放出的熱量，將其傳遞到鍋子內的方式，會有過多的能量損耗，而電磁爐本身其實是不會發熱的，能量損耗只在電磁爐內部金屬線圈的電流熱效應，相較之下，電磁爐顯得相當的節省能源，而且能供給的能量穩定，效率非常高，且沒有燃燒石油氣候所產生的二氧化碳等空氣污染，一種非常環保的加熱工具。- 電磁學的發展（Electromagnetism） 2009/08/29
電磁學的發展（Electromagnetism）
臺中縣立中港高級中學物理科中港高中物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯電磁學的形成是由馬克士威(Maxwell)集靜電、靜磁、電流、電流磁效應與電磁感應五大領域而寫成馬克士威四大方程式而確立。然而電磁學的發展並不因為電磁學理論的完備而停止，後續還有很多的發展。
1905年愛因斯坦提出狹義相對論(specific relativity)主要是修正牛頓的時空絕對論與馬克士威的光速改變理論。對馬克斯威方程式而言，在不同坐標下，因為相對速度的改變，所以光速也會隨之改變，這種舊的轉換稱為伽利略轉換(Galilean transformation)。
但根據後來的實驗證實：真空中光速不隨觀察者的座標不同而改變，因此愛因斯坦在狹義相對論中提出：真空光速為定值的理論，且任何觀察者的座標系統下，均不可能超過真空光速。這個理論使馬克士威方程式在不同座標系間必須使用羅倫斯轉換(Lorentz transformation)。 在不考慮相對論下的電磁學又可稱為古典電動力學(classical electrodynamics，CED)，簡稱為電動力學，但是電動力學其實包含靜電與靜磁以及靜力平衡等，未必是動力學(dynamics)。
在相對論之後，眾人發展出量子力學，後來演變成量子場論和量子電動力學(quantum electrodynamics，QED)兩支，在1920年被提出，受到阿貝爾規範理論(abelian gauge theory)，對於光子、電子與正子的交互作用以朗格朗日(Lagrangian)作規範。
在古典光學中，光依照費瑪定理(Fermat’s principle)採取最短或最長或其他路徑通過介質，相同地在量子電動力學中，光在通過透鏡或小孔時，觀察者偵測到的是所有光的波函數相加的結果，而其他觀察者看到的是等價的或是無限多項數學展開式的集合(sets of mathematical expansions)，因此光速可能大於c，卻也可能小於c，但整體平均為c。
在物理上，量子電動力學描述帶電粒子或他們的反粒子，利用光子交換來達到交互作用。交互作用的量值，可以利用微擾理論(perturbation theory)來求得，這些複雜的公式可以用費曼圖(Feynman diagrams)來表示。
- 電磁波譜（Electromagnetic spectrum） 2009/08/29