文／簡麗賢

多元選修課程介紹電磁波概念時，佳琦舉手提問：「老師，用悠遊卡刷進捷運站搭車，好方便，背後的原理和電磁波有關嗎？」婕妤回答：「捷運悠遊卡發出電磁波，傳遞訊息到門閘的感應器吧！」

亮瑜舉手說：「我姊跟我說過悠遊卡的物理原理與電磁感應有關。我不是很清楚，很想知道其中的原理。」

內無電池 毋需讀卡



學生提問「悠遊卡」的原理，是很好的討論主題，符合「知其然，也知其所以然」的科學探索精神。悠遊卡早已融入台灣大都會的生活中，不論是捷運、超商、購物或搭乘公車，悠遊卡在手，便利許多。然而，悠遊卡內並無電池，也不需要插入讀卡機，為何能夠溝通而傳遞資訊呢？

悠遊卡系統主要應用「法拉第電磁感應」原理辨識與傳遞資訊，與無接觸感應技術有關，此技術稱為「無線射頻辨識系統」(radio frequency identification，RFID）。完整一套無線射頻辨識系統是由讀卡機(reader)、電子標籤(tag)和應用程式資料庫電腦系統三部分組成。運作過程先由讀卡機發射一特定頻率的無線電波能量給電子標籤，藉此驅動標籤內建電路，輸送內部的身分代碼，開啟溝通之路。

變動磁場 感應電流



若以法拉第電磁感應的物理概念解釋，讀卡機產生變動磁場，同步提供電子標籤變動磁場，驅動電子標籤產生感應電流，也就是讓悠遊卡內部迴路產生感應電流，並讓電子標籤發送身分代碼訊息給讀卡機，亦即驅動內部晶片能夠發送訊號，讀卡機依序接收資訊、解讀此身分代碼，透過應用程式資料庫系統，讀取悠遊卡內的晶片資料，完整達成溝通與解讀任務。

每一張悠遊卡都有其獨立的電子標籤，當卡片靠近悠遊卡標誌的磁場感應範圍內，即可透過電磁感應的原理，驅使電子標籤內的線圈產生感應電流，此電流供應電子標籤傳送資訊至讀卡機，解讀晶片資料。

或許你會問：「很好奇沒有電池的悠遊卡怎麼產生電流？」解釋這問題，需要深入以法拉第電磁感應定律說明。

依據法拉第電磁感應定律的內涵，悠遊卡的線圈迴路，會因為磁場強弱變化，以及通過的面積區域，和角度變化，而產生類似電池驅動電流功能的「感應電動勢」，或稱為感應電壓，此感應電壓大小，與線圈匝數，及每匝線圈中磁場隨時間的變化率有關，匝數愈多，磁場變化率愈大，悠遊卡迴路中的感應電壓愈大，產生的感應電流就愈大。

無線射頻 辨識系統



因此悠遊卡雖然沒有內建電池，但可以透過電磁波的應用，採用無線射頻辨識系統，在運作時，讀卡機持續發出電磁波，當卡片接近時，其內部線圈產生感應電動勢，進一步驅動感應電流。此感應電流讓卡片內的晶片發出電磁波，回傳必要的資訊給讀卡機，完成感應過閘的流程。

以台北、台中和高雄的悠遊卡而言，採用的無線射頻辨識系統模式，屬於比較低頻率的電磁波，卡片必須距離讀卡機約14公分內，才能讀取卡片的晶片資料。因此若將悠遊卡裝在比較厚的皮夾內，或兩張磁卡疊在一起，可能無法第一時間完成讀卡，而形成「卡片無法讀取」的「卡卡」現象，建議單純使用悠遊卡過閘，較能順暢通過閘門。

其他如進出家門的感應磁扣、停車場的票卡、信用卡感應支付、國道收費系統ETC等，皆應用無線射頻辨識系統RFID的技術；只不過國道收費系統ETC的感應器的感應距離約需60公尺內，才能順利讀取通過車輛的相關資訊。