甜甜圈電漿

生活科學趣談

電弧通過裝有氙氣的玻璃管時,氙原子會被激發,其發射譜線橫跨整個可見光譜,因為最強的光譜線位於藍光部份所以整體發藍光。在上則影片中,環形等離子體的能量來自磁耦合,就如同變壓器一樣,輸入端是氙氣玻璃球下方的粗銅線電感線圈,輸出端則是被電離的單匝環形電漿。為了產生電漿,影片中先用特斯拉線圈靠近氙氣玻璃球來電離出一些電漿,隨後電離的氣體透過下方的線圈一旦形成環路,它就會變得越來越熱並且導電性更強,直到從時變磁場中獲取的能量等於輻射出去的光與熱。

高中物理的亥姆霍茲實驗是由一對完全相同的圓形線圈組成。在這種情況下,兩線圈中的均勻磁場所造成的電子流軌跡能形成一個穩定正圓

甜甜圈電漿實驗卻只有下方一組線圈,因此從線圈中產生的磁場是向外輻散,這樣甜甜圈電漿就不容易穩定,類似於將手指放在盤子的重心下方來平衡盤子一樣困難。

另外,由於電漿會產生高溫,因此也會像雅各天梯那樣向上移動

如果功率夠高,電漿理應在玻璃球的頂部聚集。不過環形電漿卻是盡可能擴張到最大的圓周長度而穩定在中央大圓處,這是因為反向的兩股電流會彼此互斥(註:直徑兩側的電流方向相反)。因此倘若上升到上半球,受限於器壁的圓環就會縮小,如此就會再度擴張而被斥回到中央大圓處,因此這是圓球的形狀使然。

由於球體下方的振盪電路會在玻璃球下方線圈中產生磁通量的變化,單位時間內的磁通量變化等於感應電動勢。因此等離子體所受到的電場依照冷次定律就是沿著等離子體流的方向,也就是環路方向,因而電漿就能從中汲取能量。

因為等離子體感應的環形電流也會形成極向磁場,該磁場的方向與外部施加的磁場的方向相反,由此產生的環形電漿就如同打煙圈那樣是自約束的,這就是場反轉型磁場結構 FRC(Fieldreversed configuration) ,一種侷限電漿裝置來產生核融合的類型。

至於影片所使用的振盪電路,可以參考下列這則精采的解說影片:

同場加映:

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