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什么是等離子體?

等離子體是物質存在的第四種狀態。通常情況下物質有三種狀態:氣態、液態、固態。在一定溫度和壓力下三態可以互相轉換。但在一定條件下,如加熱、放電等,氣體分子會發生解離、電離等過程,當產生的帶電粒子密度達到一定數值時,物質狀態就會出現新的變化,這時的電離氣體已經不再是原來的氣體了,人們把這時的狀態稱為等離子狀態。

等離子體概述

等離子體定義

什么是等離子體?早期的定義為包含足夠多的正電荷數目近于相等的帶電粒子的物質聚集狀態。當然,在這個定義下也包含了固態等離子體和液態等離子體。晶格中正離子和自由電子組合或半導體中電子與空穴的組合等為固態等離子體。電解質溶液中正負離子的組合為液態等離子體。1994年國家自然科學基金委員會在“等離子體物理學發展戰略調研報告”中提出等離子體是由大量帶電粒子組成的非凝聚系統。報告強調了等離子體的非凝聚系統屬性,排除了單純的固態和液態。因此,等離子體是指在宏觀上呈電中性的電離態氣體,是電子、離子、自由基和各種活性基團等粒子組成的集合體。其中正電荷總數和負電荷總數在數值上相等,故稱為等離子體。此等離子體定義既強調了等離子體微觀上的電離屬性,又強調了等離子體宏觀上的電中性。

等離子體

等離子體的特性

等離子體宏觀上呈電中性:

通常情況下,等離子體呈現的是電中性,但是其如果受到某種擾動,它的內部就會出現局部電荷分離,就會產生電場。比如,在等離子體中放入一個帶正電荷的小球,它就會吸引等離子體中的電子,排斥離子,從而在小球周圍形成一個帶負電的球狀“電子云”。

等離子體具有振蕩性:

通常情況下,等離子體在處于平衡狀態時,宏觀看其密度分布是均勻的,但從微觀來看,其密度分布是有漲有落,是不均勻的,并且這種密度漲落具有振蕩性。

等離子體具有鞘層現象:

因為等離子體在開始時處在準電中性狀態,如果在等離子體中懸浮一個不導電的絕緣基板,此時等離子體中的離子與電子都會朝著這個基板運動,單位時間內到達基板上的電子數要遠大于離子個數。到達基板的電子一部分與離子復合,還有一部分剩余,從而在基板出現凈負電荷積累,這樣基板表面呈負電勢。該負電勢將排斥后續電子,同時吸引正離子。直到基板負電勢達到某個值,使離子流與電子流相等時為止。由于基板呈負電勢,則在基板與等離子體交界處形成一個由正離子構成的空間電荷層,即離子鞘層。

等離子體分類

按溫度分類:高溫等離子體和低溫等離子體。

高溫等離子體是高于10000℃的等離子體,如聚變、太陽核心。高溫等離子體中的粒子溫度T> 108-109K,粒子有足夠的能量相互碰撞,達到了核聚變反應的條件。

低溫等離子體又分為熱等離子和冷等離子體兩種。

熱等離子體是稠密氣體在常壓或高壓下電弧放電或高頻放電而產生的,溫度也在上千乃至數萬開,可使分子、原子離解、電離、化合等。

冷等離子體的溫度在100-1000K之間,通常是稀薄氣體在低壓下通過激光、射頻或微波電源發輝光放電而產生的。

等離子體作為具有一定電離度的氣體-等離子體和普通氣體的主要區別在于組成和性質。組成上普通氣體是由電中性的分子或原子組成,而等離子體是由帶電粒子和中性粒子組成的集合體。性質上等離子體是一種導電流體,但在宏觀尺度上維持電中性,其帶電粒子間存在庫侖力,運動行為會受到磁場影響或支配。

等離子體發生

日常生活環境中因不具備等離子體產生的條件而使人們對等離子體感到陌生。事實上,在一些特定的環境下是能看到自然界的等離子體現象的,如閃電、極光等。在宇宙中,99%以上的物質均是以等離子狀態存在的,如太陽等恒星。在實驗條件下產生等離子體的方法很多,大氣壓下氣體放電逐步發展起來,相比于低氣壓氣體放電,大氣壓氣體放電無需復雜的真空系統,使費用大大降低。目前,實驗室中常用的大氣壓氣體放電有輝光放電(glow discharge)、介質阻擋放電(dielectric barrier discharge)、電暈放電(corona discharge)、滑動弧放電(gliding arc discharge)、火花放電(spark discharge)、射頻等離子體(radio-frequency plasma)及微波等離子體(microwave plasma)。

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