2013年11月1日

磁流體與鐵磁流體大不同

作者/曾耀寰(任職中研院天文所)

前些日子看到公共電視節目流言終結者介紹一種神奇流體,在網路上流傳了這種流體的製作方式,甚至在中小學科展也有相關的製作和研究。製作這種流體的主要成分是四氧化三鐵,因此成品會受磁鐵的影響,出現令人驚訝的現象,流言終結者的節目主持人稱這種會受磁力作用的流體為「磁流體」。

物質的第四態:電漿

會受磁鐵作用的流體就稱「磁流體」,似乎沒太大問題,但這和我以前學的磁流體力學(magnetohydrodynamics, MHD)不太一樣。磁流體力學主要是研究電漿受到電場和磁場影響的力學行為,電漿是一種帶電的粒子,又稱物質的第四態。一般都知道物質有三態,隨著溫度升高而分成固態、液態和氣態,冰是固態,水是液態,而水蒸氣是氣態,這是因為溫度的升高,使得水分子振動速度加快,擺脫相互間的束縛,甚至彼此脫離,變成可以自由亂跑的氣體。如果溫度繼續上升,電子逃離原子或分子,產生電離的現象,這時就成了第四態的電漿,因此電漿是離子和自由電子的組合。

物質的溫度越高,通常密度會較低,從圖一可以看到大部分的電漿落在溫度較高和密度較低的區域,右下角屬於一般的三態。但如果有外加壓力,也可以形成溫度又高,密度又大的電漿,例如恆星的核心物質。在我們地球上,很少有自然形成的電漿,但在宇宙中,大約有99%的一般物質(不是暗物質或暗能量)是以電漿形式存在,雖然我們生活周遭大多不是電漿,但若要研究宇宙、研究天文學,對電漿的瞭解是不可缺的。

圖一:物質的溫度和數量密度的分布圖,
一般常見的三態在圖的右下方,溫度較低,且密度較大。(作者提供)

我們已有力學、熱力學和流體力學,為什麼還要磁流體力學來研究電漿的運動行為?電漿同樣是受到相同的物理定律,除了受到常見的萬有引力而運動外,由於電漿是一團帶電的粒子,如果外加電場和磁場,同樣會改變電漿的運動行為,例如一顆帶正電的離子進入相互垂直的電場和磁場,如圖二,電場方向向下,磁場方向垂直紙面向外,由於正離子受到磁場作用,會繞著磁場做順時針圓周運動,當它走到圓周上半部的時候,方向是向上,受到向下的電場拉扯,形成圓周的上半部曲率半徑變小,下半部曲率半徑較大,最後的軌跡像是一個向左移動的螺旋軌跡,稱作E × B 偏移,電場換成重力場,也會有類似的情形,只是在E × B 偏移中,正離子和電子受到電場的作用力方向相反,仍有相同的偏移方向,但在重力場內,受的作用力方向相同,偏移方向反而相反。類似的偏移還有多種,例如磁場在空間的分布不均勻,或彎曲的磁場。
圖二:單一正、負電荷受電場和磁場影響的示意圖。單受到磁場的
影響,正電荷繞著磁場以順時鐘方向轉,負電荷是逆時鐘轉(上)。
而同時受到相互垂直的磁場和電場,正、負電荷都會向左偏移(下)。
(作者提供)

尤有甚者,一團電漿內的離子和電子之間會形成電場和磁場,這個因自身運動改變而產生的電場磁場,也會改變外加的電場磁場,因此研究電漿需要另一套較為複雜的理論,而磁流體力學是將電漿看成會受到電場和磁場作用的流體,所用到的定律除了和一般流體力學相同,還要加上電磁學的馬克士威方程式。【更詳細的內容,請參閱第527期科學月刊】

1 則留言:

匿名 提到...

台灣自製的鐵磁流體好像不錯:http://magnetic-ferrofluid.blogspot.tw/