科普：高压电线会致癌么？

教我电动力学的是一个研究等离子和谐振腔的老帅哥（没想到教我电磁学相关的都是老帅哥，难道麦克斯韦方程组的对称与和谐的形式使得要想教电动和电磁，都必须长得好……看来我老板是没有办法教好电磁了，脖子和头一样粗……）老帅哥人挺不错的，而且当年第一名保送进台大（不过自称是最后一名毕业）台大篮球校队队员，拿过民国大学联赛亚军。而且还发过一个if 32 的杂志……现在功成名就，经费居多，手底下的研究生都不想毕业，因为不毕业拿的钱比毕业还多……

听说老先生快要不教电动了，挺可惜的。他教了30年左右的电动，很不错。不过人老了就是容易水仙，发给我们的讲义上还有自己写的科普文章，号称“有助于理解谐振腔和波导管，因为很多人研究了一辈子电磁波，还不知道微波炉是什么原理”。不过看了科普文章之后，还真是发现原来我也不知道微波炉是什么原理……所以找来原文，与诸君共享。

以下文字引自：物理双月刊 28卷2期（2006年4月）P505-509

Q：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数据，以及参阅其它小组对高压线致癌的评估报告后，认为这些数据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 environmental factor, it is necessary to demonstrate a consistent, significant, and causal relationship before one can conclude that such effects do occur. From this standpoint, the conjectures relating cancer to power line fields have not been scientifically substantiated.”)。这份措辞严谨的声明也反映了其它一些学术和公益团体对此问题的看法。

Q：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，不断的反复转动。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复转动，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，必须和其它分子(包括其它水分子)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。

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，电流的奥姆加热效应很小，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。

Q：高压线如何使人触电？

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，高压线是借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，还会造成奥姆损耗，甚至联机内损耗掉的能量也是从线外的电磁场传输进去的。

相对于地面，高压在线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。

PS1：老先生的儿子居然和我一级，有好事者欲介绍我们认识，因为他们认为“你们长得好像耶～”（其实，如果男生长的差不多胖瘦，而且在一个地方理发，还带一样的眼镜，就难免……）

PS2：最近又有当地报纸宣传高压电线容易致癌，又说苏澳某小学受到影响，有四人得癌症，耸人听闻。又说相关调查得到负结果有问题。现在看来，并非其然。

PS3：远程高压电采用直流输电，原则上不会有电磁辐射，只有磁场产生。考虑到没有报道说高压线附近看电视喇叭受到影响，预计多数情况下，该磁场的影响不会比地磁场更大。（这一点，由于缺乏数据，待考）