什麼是電場和磁場?

一個帶電物質的運動條件,不同於電中性的物體。帶電物質在運動中會受到電場和磁場的束縛與限制,使它的運動軌跡或呈加速狀態,或呈螺旋狀的路徑。到底電場和磁場是怎麼形成的?它們又是如何影響帶電物質的運動狀態?若一個帶電物質相對於你是呈現靜止不動的狀態,則你只能感受到它靜電力的存在。正如你摩擦墊板能騰空吸附紙片,這就是靜電力的表現,因為摩擦後的墊板表面聚集了電荷,使它的週遭空間有了奇特的特性,也就是凡是另一帶電的物體接近時將會感受到這些原本存在於此處電荷的影響,科學家稱這種空間的特性是「場」(field)的存在呈現。也就是說,摩擦後的墊板表面聚集的電荷造就了鄰近的「靜電場」,使得靠近的其他帶電的物體在此電場中的運動受到「帶同性電荷會相斥,帶異性電荷會相吸」的效應,而改變原本運動的路徑。

若一個帶電物質相對於你是有相對的運動時,則你除了能感受到它電場的存在外,另會感受到磁場的存在。正如你將指南針置放於通電的導線周圍,就可以看到指南針受到通電導線內電流所形成的磁場作用而改變它的指向。也就是說,通電導線內電子的流動造就了鄰近的「磁場」,使得靠近的其他帶電或具磁性的物體在此磁場中的運動受到束縛,而改變原本運動的狀態。

要是能瞭解電漿在電場和磁場所受到的影響,就可以理解太陽的一舉一動將會如何地影響我們地球。事實上,太空裡既然充斥著運動中的電漿,也就處處可感受到電場和磁場的存在。就以我們居住的地球來說,因為地函內帶電的溶岩漿流動是造成「地磁」(圖4)存在的主因,也使得地球上空電離層的存在,和地球大氣層外磁層與范艾倫帶(圖5)的存在。當太陽風(是一大群時速達四、五百公里的電漿)向我們吹襲而來時,地球大氣層外磁層(圖6)會為我們抵擋住了絕大多數的電漿,以免直接竄入我們大氣層裡來,僅使得我們感受到許許多多仿如來自此輻射帶的輻射而已;另外,磁層也為我們帶來了浪漫且壯麗的「極光」表現。

電漿能被控制、被應用嗎?

要瞭解電漿在電場和磁場所受到的影響,便先要瞭解個別帶正負電荷的離子在電場和磁場裡分別受到的作用。因為「帶同性電荷會相斥,帶異性電荷會相吸」的電場作用力,使得帶電離子束在電場中只會加速改變它們的位置和直線速率。而帶電離子在磁場中所受到的是和「運動速度與磁場都垂直的勞倫茲(Lorentz)作用力」 ,使得帶電離子束在磁場中呈螺旋狀。科學家想利用這個原理來控制和應用電漿於核融合反應、加速離子等的研究,已有三十多年的歷史了。可惜目前科技人造的磁場僅能達到約 106~7高斯,和中子星上的1012~13高斯強烈磁場或是恒星內部的核融合反應條件比起來,人造的磁場仍嫌過小。所以如何設計出強大磁場來束縛足夠的氫離子電漿於小空間內,並將它們加溫至約達攝氏百萬度,使它們能核融合成氦原子?如何截取核融合所釋放出來的巨大能量?如何不會造成類似核分裂反應後的放射性污染?等等都是有待解決的科技問題。期盼真的有這麼一天,能利用大自然中最自然、最普遍、宇宙間、恒星內部處處可見的「核融合」方法,應用成熟控制電漿的技術來解決核能發展的爭議,來造福人類的生活。

圖4.地球磁場示意圖 圖5.范艾倫輻射帶

圖6.地球大氣層外的磁層示意圖

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