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奇妙的物質第四態(2) ---- 電漿
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1991/09/05董家齊|陳寬任 成大物理系 教授

電漿的基本特性

電漿與固體、液體和氣體最大的不同是,後者是由中性原子組成,而前者是由帶電的離子電子組成。原子不產生電場,運動時也不會產生磁場。在電漿中就不一樣,組成電漿的粒子(電子和離子)有自己的電場,運動時會產生磁場,也會受到電磁場的影響。結果,相距很遠的兩個粒子,不必碰撞就可發生相互作用。同時,電磁場的運動和粒子的運動強烈耦合,結果就使電漿具有集體行為。也就是說,在電漿中,雙體碰撞不起主導作用,集體行為起決定作用。這是電漿的第一個基本特性。集體行為的研究在現代物理學的發展中很重要。

要了解電漿的第一個基本特性,需要先了解電漿的第二個基本特性︰電漿具有屏蔽外加電場而保持自身為電中性的能力。如果將兩塊連到電池兩端的平板放入電漿中,則連接正極和負極的平板將分別吸引電子和離子。結果,電場只存在於平板周圍的一個厚度為德拜屏蔽長度的薄層內,而在電漿的其他部分,平板所產生的電場趨近於零。這種屏蔽效應稱為德拜屏蔽(Debye shielding)。瀕臨平板邊界數個德拜屏蔽長度厚的薄層,一般稱為鞘層。 這種德拜屏蔽效應也發生於電漿中電子對於離子電場的屏蔽。存在德拜屏蔽效應而保持近似電中性是電漿的第二個基本特性。只有當電離氣體系統的尺度遠大於德拜屏蔽長度,而且德拜屏蔽層內的帶電粒子數足夠多時,該系統才會具有電漿的第二個特性。當上述條件產生時,電漿粒子的動能遠大於雙體碰撞的平均位能,集體作用的遠距電磁場對於電漿行為起主要作用,使得電漿具有第一個基本特性。

電漿的第三個特性是每一個電漿系統都有一個固有頻率,稱為電漿頻率。一束電磁波打到電漿的表面,如果電磁波的頻率小於電漿頻率,則該電磁波就會被屏蔽在外面而進不了電漿。其道理很簡單,如果,兩塊平板之間加的不是直流電壓,而是交流電壓,則當平板上的電壓改變時,電漿中的電子會被平板吸引或排斥。如果電磁波的頻率小於電漿的頻率,則電子的反應就跟得上電壓的改變,而將電壓屏蔽在外。 在電離度非常低而密度高的電離氣體中,帶電粒子與中性分子的碰撞頻率很高,即粒子間的平均碰撞頻率大於電漿頻率,則系統的性質將由雙體碰撞決定而不由集體效應決定,這樣的系統不能稱為電漿。在電漿系統中碰撞頻率小於電漿頻率的條件需要被滿足。這是電漿的第三個基本特性。

有一類電漿,存在於磁場之中,稱為磁化電漿,由於其廣泛存在且有重要的應用前景而特別值得一提。 地球周圍有磁場存在,星際空間也有磁場存在,因此這些地方的電漿都是磁化電漿。磁化電漿與非磁化電漿的重要差別在於磁場對帶電粒子的影響。為簡單說明,讓我們考慮單個帶電粒子的運動。沒有磁場時,空間是各向同性的,帶電粒子在各個方向都可以自由運動。有磁場時,假設磁場垂直於紙面,則在沿著磁場的方向,帶電粒子可以自由運動。但是在垂直於磁場的方向,即在紙面上,帶電粒子只能做圓周運動。電荷不同的粒子,其旋轉方向相反。這種運動稱為迴旋運動,其頻率稱為迴旋頻率,迴旋半徑又稱為拉摩半徑。我們不難發現,迴旋頻率和迴旋半徑分別正比和反比於磁場強度。前者是高頻電磁波源的基本工作原理,後者是磁約束熱核融合研究的基本出發點。

資料來源 《科學發展》2002年6月,354期,52 ~ 59頁

( 知識學習科學百科 )
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引用
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