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隔空發電--電漿球實驗

電漿指的是一團流體粒子,其中的粒子帶有電荷,大部分情況是由離子和電子組成。
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和電子組成。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。

電漿球的原理,是在玻璃球內部放至一個金屬片並加上很高的電壓,並且把玻璃球內抽成接近真空並灌入一些惰性氣體。
當啟動以後,玻璃球中央的金屬會帶有很高的電位,又因為把金屬片設計的比較尖,因此容易產生尖端放電的情形,電流由中央高電位流向外圍較低電位的玻璃球。在電流由內向外流的過程中,會經過稀薄的氣體,電流能量可使經過的氣體游離產生離子和電子並且放出光。而電流會選擇電阻最小的路徑跑,又因為氣體通常不是均勻的,所以你會發現中間跑向外面的電流並非是直線,而會抖來抖去。
在啟動之後,球外層會帶有一層靜電,假若用手去摸的話(因為人站在地球上可視為接地),會改變球上的電位分布,因此會發現球內部電流的路徑也因此改變;而把電漿球靠近日光燈的話,因為表面靜電有電位,就算沒插電的日光燈也會微微發亮。
值得提一下的是,其實由中央往外跑的東西是電流不是電漿,這裡面唯一跟電漿有關的是氣體受電流能量激發後會解離一小段時間,這種狀態可以稱為電漿態。

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