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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。【更多內容請閱讀科學月刊第527期刊】