太陽風+電視=電漿電視

記者李宇政整理報導 |2008.01.11
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宇宙空間充滿電漿,且在現代工業生產中被廣泛應用,但大多數人對譗電漿豃顯得比較生疏,這主要是因為在地球表面,自然存在的電漿不多。

我們知道,H2O是一種物質,在地表常溫下,呈液態,稱之為譗水豃。如果溫度低於攝氏0度,它就會變成固態,叫做譗冰豃。如果溫度高於攝氏100度,它就會變成氣態,叫做譗水蒸氣豃。固態、液態、氣態,這就是我們通常知道的物質存在的三種狀態。

物質是由分子組成的,一個分子可以包含一個或幾個原子。在固體物質中,分子之間的相互束縛力很強,以至於分子和分子之間的相對位置是固定的,不能隨便移動。對一固體加熱,其分子的動能增加,克服固定其位置的相互束縛能,使其間的相對位置可以改變,成為液體。分子在液體內雖然可以較自由地運動,但不能自由離開液體的表面。所以液體仍然是我們肉眼看得見,用手摸得到的凝聚體。對一液體再加熱,其分子的熱運動動能會繼續增加,而最終可以完全脫離表面的束縛,液體也就成為分子可以自由運動的氣體。

電漿是物質第4態

這種固、液、氣三態互變的過程稱為相變。它可以向兩個方向發展,一是對一固體繼續降溫,一是對一氣體繼續加熱。實驗結果告訴我們,前者只會引起物質性質的變化,但是,後者卻完全不同,它會使物質變成一種新的狀態*電漿態,電漿態是物質的第四態。

自然界電漿稀少

在地球表面上,自然存在的電漿雖然有,比如閃電、極光等,但不多。現代天文知識告訴我們,很多星體,比如太陽,是處於電漿態,星體周圍的大氣及星際空間也充滿了電漿。就我們地球而言,大氣層以上的電離層,太陽風等等都存在著電漿。

電漿基本特性

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、第二個基本特性是電漿具有屏蔽外加電場而保持自身為電中性的能力。第三是每一個電漿系統都有一個固有頻率,稱為電漿頻率。

太陽風是流動電漿

人類所賴以生存的地球,處於太陽風的連續轟擊之下,太陽風從太陽發出的帶電粒子流,也就是流動的電漿。地球周圍的磁場,即地磁層,將太陽風偏轉而使地球的表面免受輻射的傷害。

地磁層在太陽風的作用下也會發生變化。同時,地球上空五十公里到十個地球半徑的空間,是充滿了低密度電漿的電離層。太陽風與地磁層的相互作用、電離層的結構、狀態等構成了地球的太空環境。他們的變化會直接或間接地影響地球表面人類的生活環境,如氣候、通訊狀況等。

為了有效地監測、預報地球太空環境的變化,就必須研究和掌握太陽風和地球周圍的電漿的性質和變化規律。所以,電漿在地球太空環境的研究中有著核心且不可替代的地位。

電漿應用在高科技

人類對電漿的認識比對其他三態要晚得多,但是,隨著科學進步,人造電漿在實驗室和工業界大量出現,對電漿的依賴也越來越大。電漿研究不僅對基本物理發展很重要,同時也因被廣泛地應用而呈現出更為廣闊的前景。最常見的有日光燈、霓虹燈、電漿顯示器,以及其他各種的電漿光源。

伴隨有化學反應的電漿放電,已被廣泛地用來改變材料表面的性質,對材料處理工業而言,電漿處理技術至關重要,用這種技術製造出的材料和表面結構是用其他生產方式得不到的。同時,材料的表面可以用很獨特的方式加以改進。例如,在矽膜中或基質材料中可以蝕刻出寬0.2微米、深4微米的溝槽。人類頭髮的直徑是50 ~ 100微米,也就是說,在一根頭髮那麼粗的一個晶片上,就可以刻上數百個這樣的槽和線路。另外,像鑽石薄膜,太陽能電池中用的非晶體矽等獨特的材料,也可利用電漿處理生產出來。

(註:1微米=0.00001公分=1000奈米)

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