電學發展漫遊

琥珀的顏色與太陽色彩相似，

古希臘遂

稱之為「太陽之子」（elektron）。

（圖片來源：網上）

電學是物理學的分支學科，以電為研究對象。電是神奇的東西，它並非實物，非有形狀和可觸摸得到，但是你可在大自然中觀察到它的存在，早在公元前   585 年古希臘時已被發現——哲學家及科學家泰勒斯（Thales）留意到用布摩擦過的琥珀可吸引輕小物件，例如碎草、羽毛等。英文的電字「electricity」就是源於從希臘文的「琥珀」，elektron。東漢思想家王充在著作《論衡‧亂龍》亦提到「頓牟掇芥」這摩擦起電的現象。其他國家在不同時期，在不同情況下也發現電的存在，例如會發射電擊的發電魚，當然還有大自然的閃電現象等。當時人們對電一無所知，這類現象大概會被視作神秘的力量吧。好奇的學者便對此加以研究，並逐漸發展出電學理論，也衍生次領域如電路學、電子學、電磁學等。

我們現在受惠於發達的電子科技，例如手提電話、電力照明系統、電視、音響、計時器……這些發明都不過是一、二百年的事。在此，我們應向努力不懈，付出心力研究電學的科學家致敬。談到電學的發展，歷史上有數位標誌性的人物和重要的發展里程是不容忽視的。上文提到的靜電現象，後來英人格雷（Stephen Gray，1666 - 1736）發現可將物質分為導電體和非導電體，靜電可分佈在導體內。法國的庫侖（Charles Augustin de Coulomb，1736 - 1806）更經實驗證實靜電和萬有引力一樣，兩個帶電體的相互作用力，與兩者的電量成正比，與它們的距離二次平方成反比，得出庫侖定律。

弗萊明在1904年第一次研發的真空管原型。

（圖片來源：Wikipedia）

有時候，重要的物理現象在不經意間被發現，但當事人還未及想到如何應用。1883 年，發明燈泡的愛迪生（Thomas Alva Edison，1847 - 1931）就在一次燈炮實驗中，在燈泡加上金屬片，當接上電流錶和引線後發現有電流通過，但金屬片和燈絲沒有接觸，怎會這樣呢？當時沒人能夠解釋這個「愛迪生效應」。直至在十九世紀末，英國物理學家湯姆生（J.J.Thomson，1856 - 1940）透過陰極射線證實電子的存在後，英國的弗萊明（John Fleming，1849 - 1945）便釐清這現象是由於發熱的燈絲激發電子從負極射出，跳到正極的金屬片，形成電流。他更利用這原理，最後在   1904 年發明了真空二極管，從此一石激起千層浪，開展電子學的真空管時期。後人經過不斷改良，製造出三極，甚至四極、五極真空管，更有效地用於控制電流、信號放大和振蕩器中。這項發明令當時許多電子器材如音響放大器、收音機、發射機等應運而生，更在 1946 年製造出第一台真空管計算機，稱作電子式數字積分電腦（Electronic Numerical and Computer，簡稱   ENIAC）。它由   18,000 個真空管組成，長   50 呎，闊   30 呎，體積龐大。然而，真空管有不少缺點，例如體積大、耗電、效率低、成本高、壽命短等，促使人們發展被喻為二十世紀重要發明的電晶體。1948 年電晶體在美國貝爾電話實驗室中面世，得要感謝發明它的三位物理學家蕭克利（William Shockley，1910 - 1989）、巴定（John Bardeen，1908 - 1991）和布拉頓（Walter Brattain，1902 - 1987）。數年後電晶體投入商業化生產，進入電子學的電晶體時期。

第一台電子式數字積分電腦   ENIAC。 （圖片來源：http://www.computerhistory.org） 

積體電路的不同封裝。

（圖片來源：http://electroiq.com）  

電晶體是組成電腦的主要零件。現今一臺電腦，由超過數十萬顆電晶體、二極體、電容、電阻等組成。為什麼小小的盒子裡能藏著這龐大數量的零件呢？這便有賴積體電路（集成電路）的發展。積體電路（Integrated Circuit，IC）就是將許多微小零件組成在一塊晶片上，再封裝而成。初時小型積體電路包含不超過   100 個零件，後來發展出中型、大型、超大型、極大型積體電路，一顆   IC 內零件數量可達數百萬以上！此後，電子產品便因   IC 的急速發展，趨向更小、運算速度高、高效率、便宜，因此各類電子產品功能不斷提高，但價錢不斷下跌。

以上所敍述簡史不過是電學發展的其中一隅。科學家還在磁、馬達、無線電、數位電路等作專門的研究，為通訊和電力等發展作出偉大的貢獻。電學的範圍十分廣博，雖然理論較為抽象，不過只要打好學習基礎，加上多點注意身邊細節，便能容易將知識融會貫通，利用所學創造新穎而便利生活的東西。

《創科小淘氣》的誕生背景

近年政府銳意透過一系列措施提升本地創科水平，當中包括以資金扶助初創企業，鼓勵中小企發展科技有關項目等，希望推動「再工業化」。先不論這些計劃成效如何，我們總不能捨本逐末，更應要明白創科人才需要從小培育，才有望長遠帶動本港科技發展，所以資源分配應有較高百分比留給教育而後及於工業。政府曾於   2015/16 及   2016/17 學年發放一筆過津貼予公營小學和中學推行電子教學和增設教學資源，並更新有關課程部分，大力推廣   STEM （即科學    Science、科技    Technology、工程    Engineering、數學   Mathematics）教育，志在以西方教育為模板，透過活動加強學生創意思維，提高解難能力，將以上四個學科知識融匯並應用於生活當中。這個政策方向可視為走上正軌，實際推行時卻不免令人質疑其可行性。

在填鴨式教育制度下，師生為追趕教學進度，早已人疲馬乏。課程編排未能提升學生對科學的興趣之餘，亦沒有思考空間讓學生沉澱和消化所學如何能在生活中靈活運用。若學校強行加插   STEM 課程，對普通教師實在難以駕馭。如負責教師沒有足夠學科知識和背景，一旦灌輸錯誤的理科概念，誤人子弟，對學生影響甚為深遠。即使師資優良，在時間緊湊下學校每學期只允許推行數個活動，亦不會有效帶來學習成果。再者，本港還未改變急功近利的風氣，學生選科仍以金錢掛帥，總是以賺錢學科為優先，平日閒暇娛樂則不離手機電玩、吃喝旅遊，與創科談不上邊，試問他們怎能有耐性真正探究較為枯燥的科研項目？基於以上因素，不難想像發展創科必事倍功半。

筆者有感以上種種，亦源於自從投身電子工程，接觸軟、硬體設計，平日需要實斧實鑿進行大量實驗發展電子產品，深諳當中涉及的技術和知識，絕非一般剛步出大學的工程系本科生能即時掌握，更甚是耳聞有大學生連基礎知識也紮根不穩。知識需要點滴累積，決不能抱有囫圇吞棗、不求甚解、急於求成的學習態度，更不是為求完成課程，考試及格取得證書便完成使命。有見及此，筆者願貢獻微小力量，在網路平台講述以電子學為主的基本理論，以及分享日常產品設計流程和案例，儘量以輕鬆筆調，扼要明確地帶出最根本的電子學概念，彌補正規課程的不足，將理論寓於實踐，引起他們繼續探求科技領域的興趣。

電子學博大精深，雖經過資料搜集和校對，內文仍難免偶有錯漏或有未盡完善之處，還望各界先輩同好不吝賜正，並冀盼日後更多有心推動創科的持份者加入經驗分享行列。是為序。