【科學奧秘】第六集: 離子世界的美麗--電漿球的神奇原理

2023/12/27閱讀時間約 9 分鐘

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電漿球，它的美麗大家並不陌生。這個球的發明家尼古拉·特斯拉, 是在學習高電壓時, 在真空玻璃管裡使用了高頻電流而受到的啟發。他也發明了特斯拉線圈, 就是靠這個, 才能將這神奇美麗的電漿球呈現在我們面前, 那這些背後都運用到了甚麼原理? 我們一起來看看。

電漿球構造

首先我們知道, 電漿球需要電而發光, 它的電來自於電容器, 它有兩個電容器, 底座接電部分是一個低電壓電容器, 可以直接接入插座, 球體中間部分的圓形發電球就是特斯拉線圈了, 它也是一個電容器, 只不過充當了更重要的轉換器角色而已, 然後通過電容耦合, 將這兩個電容器連接起來, 通上電, 小球就會發出高頻高壓電流, 我們就能看到許多彎彎曲曲上下扭動的彩色電光絲了。那這些電光絲僅僅只是線圈放電而以嗎? 當然不是, 如果僅僅只是放電, 我們就不會看到藍色的電光, 我們需要電離, 只有電離球內的氣體, 才能產生這麼酷炫的現象。這整個現象又叫電離放電現象, 在大自然中非常常見, 比如閃電, 就是大型電離放電現象之一, 還有宇宙中那些五彩斑斕的星光也是電離放電現象。

Jeremy Thomas on Unsplash

(Jeremy Thomas on Unsplash)

電離和放電

我們這裡先來介紹一下電離, 甚麼是電離, 放電又是甚麼呢?

首先, 先來了解原子, 我們知道物質是由原子組成, 一個原子內部, 包含了原子核和電子。原子核又由質子和中子組成, 質子是帶正電的粒子, 中子, 如其名, 是電中性的粒子。質子和中子夾在一起簇擁而成, 構成了原子核, 原子核的重量也決定了一個原子的重量。最外面一層是電子, 自帶負電, 電子體積非常非常輕, 相當於質子的1/1836倍大小。它們圍繞在原子核外面, 有好幾層, 加上電子十分活躍, 所以大量的電子一起做一定規律的運動時, 看起來就像是一團雲霧, 也稱為電子雲。

質子決定了原子的化學性質, 比如C12就是指這個碳原子核裡含有6個質子和6個中子。如果質子數量相同, 中子數量不同, 就叫同位素, 比如C12和C16, 兩者是相同數量質子, 但是不同數量中子, 但同為碳元素。

而電子和質子數量的相等與否則決定了原子的電性。中性原子是電中性, 意味著它含有相同數目的電子和質子。正電原子則是正電性, 質子數量大於電子。負電原子則是負電性, 電子數量大於質子。

這裡的正電原子和負電原子就是我們所說的離子。所以離子就是質子數量和電子數量不平衡的原子, 或者說是失去或增加了電子的原子。失去了電子的原子叫正離子, 因為電子數量比質子少, 得到了電子的原子叫負離子, 因為電子數量比質子多。

離子存在的狀態叫離子態, 又稱電離態或離子體。離子態不是離子, 它是大規模離子集合體的一種存在狀態, 是物質的四大基礎狀態之一, 這四大狀態分別是固態, 液態, 氣態和離子態。驚人的事實是, 離子態在宇宙空間中存在的比例高達99%, 是四大狀態存在最高的物質! 所以可以想像, 我們看不見的透明空間裡, 到底有多少離子存在了。

電漿球的電離放電

那這又該怎麼解釋電漿球的電離放電呢?

我們先設想一個場景, 當我們將兩截裸露的電線互相靠近時, 是不是就會看到電光產生? 看到兩個電線的尖端透過一條光線連在一起。這個現象就是電離放電產生的原理, 空氣裡的原子的電流承受場的臨界值被打破, 大量電流直攻原子內部, 也就是我們所說的「破防」。大量原子因為巨大的電能衝擊, 自帶的電子也被順帶著一起衝擊出去, 該原子就被迫形成了離子, 同時自身也成為了導電體, 加上離子又十分活躍, 它們會和電場裡的大量電子積極結合, 能量爆棚, 就釋放出光量子, 我們就看到了電光火石的現象。

所以, 根據上述特性, 我們就知道要製造出電光火石現象, 必須要先製造出離子態才行, 而四大狀態中, 只有氣態才可以直接轉化成離子態, 固態和液態都無法直接轉化為離子態, 必須首先要轉換為氣態才行。

那甚麼樣的氣體才可以? 答案是甚麼樣的氣體幾乎都可以。只是著名又很容易生產的氖氣, 也就是霓虹燈, 在電離態下會發出紅色的光芒, 是用的最多的一種離子態。氙氣, 離子態是藍色, 氬氣, 離子態是紫色。而氖氣很容易通過化學方法獲得, 所以除了電漿球, 霓虹燈這些很多也都會使用到氖氣, 這就曾一度造成了2022年的霓虹短缺。

惰性氣體離子態顏色

而上述這些在電離態下發出漂亮光芒的氣體, 都屬於惰性氣體。甚麼是惰性氣體? 惰性氣體就是很不容易導電的氣體, 最外層的價帶, 電子是「全滿」狀態, 這一層又是電子最活躍也最容易逃脫的一層, 而惰性氣體這一層都鋪滿, 就意味著需要比刺激單個電子大的多的能量去刺激它們, 才會產生足夠的能量逃脫, 形成自由電子。所以這是為甚麼我們需要高電壓的原因。

絕緣體「電帶」結構

當我們給氖氣輸入足夠多的電流, 多到可以破壞掉它的惰性狀態時, 它們才會變成離子態, 放電產生光量子, 在我們眼裡看來, 就是漂亮的深紅色光了。如果你加入別的惰性氣體, 就會呈現出其他的顏色。

而特斯拉線圈, 就是將低電壓電源的電壓經過提升, 轉換為高電壓電流。他這個電線圈的獨特之處就在於它的高頻率, 最高達到35khz, 相當於無線電波的頻率, 在當時的交流電裡是創新的進步, 因為普通交流電的頻率大部分都只有幾十赫茲。

那為甚麼要用到高頻電流呢? 因為電流頻率越高, 傳遞電荷載體也就是電子和離子的距離也就越遠, 這樣我們才可以看到電光絲一直發射到玻璃球表面上了。

那為甚麼這些電光絲的分布形狀又像是八爪魚一樣呢? 答案是因為電流會產生電場, 電場本身的形狀, 雖然我們直觀看不見, 但它就是類似於像蜘蛛或者八爪魚的樣子。藍色部分就是電場裡流動的電子的路徑。

而為甚麼這些路徑是朝玻璃表面移動, 而不向其他方向呢? 因為電流和水流一樣, 會從高電流往低電流流去, 就是往地上流。而又因為玻璃是絕緣體, 電子無法全部穿透出去, 於是一根電絲的電能全部轉換為光能之後, 斷掉, 接著就會出現另一根, 這樣不斷交替, 我們就會看到不連貫的, 一閃一閃的電光絲了, 之所以是藍色, 是因為加入了一些氙氣, 氙氣的離子態就是藍色。玻璃表面和四周的紅色斑塊就是氖氣的離子態了。

手指和電漿球的交互作用

此時如果我們把一根手指放在玻璃球上, 你會看到電光絲飛快的與你手指連結, 還會變得更粗更亮。這是因為人的身體相比玻璃, 是更好的導電體, 就意味著能夠更快速的傳遞電子, 電流當然是首選你了, 加上你又是站在地上的, 這樣就更完美的充當了電流從電線圈流入地表的橋樑了。所以就造成了, 大量的電子都朝你手指方向匯集過去。

此外, 你還會發現, 連接你手指的電絲還會上下擺動, 不斷重複著某種路徑。是為甚麼呢? 這是因為球內的電能也同時會產生熱能, 球內溫度會升高, 裡面的氣體也會被加熱, 加熱的氣體自然會往上漂浮, 所以會讓這些電光絲浮起來, 但是帶到一定的高度之後, 由於電弧過長, 電流的量, 不再足以讓電子在兩點之間傳遞, 就會斷掉, 接著新的電光絲又開始形成, 不斷重複這個過程, 我們就看到這種奇特的, 電光絲上下擺動的現象了。

能深刻說明這個原因的另一個現象就是, 如果你把手指放在球體的最頂端, 你就能看到一條直直的粗線直接連接你的手指, 而不再會上下擺動, 因為那已經是加熱後的氣體能浮動的最高的高度了。