等离子体

物质状态之一

等离子体(又称电浆),是物质状态之一,是物质的高能状态。其物理性质与固态液态气态不同。等离子体和气体一样,形状和体积不固定,会依着容器而改变。等离子体有接近完美的导电率,也会在磁场的作用下,显现出各种三维结构,例如丝状物、圆柱状物和双层等,也可以利用磁场来捕捉、移动及加速各种等离子体,例如可变比冲磁等离子体火箭就是应用了等离子体的这一特性。等离子体最早的含义是整体保持电中性的电离物质,但现时一些不符合原先电中性定义的物质也会被称为等离子体,如夸克-胶子等离子体等。有关等离子体的一种直觉上的描述称,等离子体就是会受电磁场影响的流体物质,一般是指各种离子化气体,然而固体或液体内的自由电子也可以被视为等离子体的一种(非中性等离子体),此外还包括很多受电磁场支配的流体物质。等离子体可以被看成是由一群粒子所组成的系统,因此在数学上可以用统计的方式来研究。

宇宙中充斥着各种各样的等离子体,是其最常见的物质相态,亦可以经由对处于其他相态的物质的加工取得。现代物理学对气体与等离子体之间的相变给出了详细描述,某种气体在经验外来的高温或强电磁场的作用时,此时该气体内本身存在的游离电子会被加速,并撞击该气体的诸中性粒子,使该气体中各颗中性粒子中的电子与其原子核分离,成为游离电子,而该中性粒子也会因缺少了电子而成为离子。这些分离出来的游离电子又会被该电场加速,再与其他中性粒子碰撞,这称为气体的离子化过程。此时该气体中一部分粒子会拥有比中性状态更多的电子而成为带负电荷的阴离子,另外有一部分粒子会拥有比中性状态更少的电子而成为带正电荷的阳离子[1],有一部分粒子则维持中性。离子化后的气体成为由各颗阴阳离子、游离电子、中性粒子等多种粒子所组成的电中性物质,其中阴离子的电荷量总和与阳离子的电荷量总和相等,这就是物理学上所谓“等离子”,此时物质在大尺度上的总电荷是零,这称为“准中性”。[2]等离子体含有许多可以自由移动的非中性粒子(载流子),加上诸多非中性粒子带有电磁力,并会受其他非中性粒子的电磁力影响,即是说诸非中性粒子之间可以在不碰撞的情况下发生相互作用,这也解䆁了等离子体的导电及受电磁力支配等的多种性质。最后处于等离子态的物质也可以通过相变转化为其他三种物质状态。

等离子体是宇宙重子物质最常见的形态,其中大部分存在于稀薄的星系际空间(特别是星系团内介质)和恒星之中。[3]地球大气离地表300公里的电离层也是处于等离子态,电离层是地球大气较外层的气体吸收了太阳辐射能量,发生光致游离而形成。

性质编辑

定义编辑

等离子体是由阳离子、中性粒子、自由电子等多种不同性质的粒子所组成的电中性物质,其中阴离子(自由电子)和阳离子分别的电荷量相等,这就是物理学上所谓“等离子”。等离子体内移动中的粒子会产生电磁场,并影响着该物质内每颗带电粒子的运动,这使等离子体拥有一些特殊的性质,而这些性质也定义了何谓等离子体。[2][4]这便引申到有关等离子体定义的三个重要部分:[5][6]

  • 诸带电粒子之间的距离必须足够接近:当在一个空间内的诸带电粒子相互作用的影响范围内都有平均多于一颗带电粒子,此时诸带电粒子便能够相互作用,从而产生集体效应。
  • 所描述的尺度必须远大于电荷作用尺度(德拜长度):由于负电荷之间的排斥力会抵消正电荷的吸引力(净电荷),反之亦然,因此每一新增的带电粒子都会降低全体带电粒子的对外吸引力,这称为“屏蔽效应”。当所描述的尺度小于某一特定范围,范围内的全体带电粒子对外仍然有一定吸引力;但当尺度大于某一特定范围,全体带电粒子的对外吸引力为零,这一特定范围称为“德拜球”,而这个球的半径称为“德拜长度”。当所描述的尺度远大于德拜长度,这意味着所描述的物质的电荷作用力被限制在该尺度的内部,而其对外吸引力则是零。若符合这个条件,则描述的物质可被视为具备“准中性”。(德拜球内的粒子数量为等离子体参数之一)不同的等离子体有不同的德拜长度,视乎组成该等离子体的物质的特性而定;一般气体放电的德拜长度小于0.1毫米,而星系际介质的德拜长度则可以大于100公里。
  • 等离子体频率必须高于粒子碰撞率:如果小范围内出现正负电荷分离,因离子质量大,可视为固定不动,构成均匀正电背景,电子则在静电力作用下集体振荡,这就是“等离子体振荡”,振荡频率称为“等离子体频率”。当一个加在等离子体表面的电磁波的频率小于该等离子体的电子振荡频率,则该电磁波就无法影响该等离子体,因此可以假定该电磁波被屏蔽在等离子体之外。在电离度非常低而密度高的电离气体中,带电粒子与中性分子的碰撞率很高,即粒子间的平均碰撞率大于等离子体频率,则系统的性质将由双体碰撞(普通气体动力学效应)决定而不由集体效应(静电效应)决定,这样的系统便与气体无异,因此不能称为等离子体。在等离子体系统中碰撞率小于等离子体频率的条件需要被满足。

非中性等离子体编辑

等离子体的导电性和其带有的电场的强度和范围,意味着在足够大的体积内,正负电荷大体相等,是为“准中性”,但由于诸如纯粹由负电荷、或者纯粹由正电荷所组成的流体物质的集体粒子运动和普通的等离子体相似,因此这些不符合准中性定义的物质也会被称为一个非中性的等离子体。例子有固体或液体内的自由电子(电子等离子体)、彭宁离子阱中的电子云、正电子等离子体、或者是夸克-胶子等离子体。非中性等离子体含有过高的净电荷密度,甚至完全以单种带电粒子组成,这时电场在该非中性等离子体中的作用是举足轻重的。[7]

中文对“plasma”一词的翻译有二:取其最早的含义(整体保持电中性的电离物质),有中国大陆所用的“等离子体”;台湾则称“电浆”。有中国大陆的物理学家对这一历史遗留的尴尬翻译表示质疑。[8]

等离子体和气体的比较编辑

等离子体和气体这两者有以下若干不同之处:

  • 电导率:气体的电导率非常低,例如空气是良好的绝缘体,但在电场强度超过   V m 时会分解成等离子体。[9]而等离子体的电导率通常非常高,在许多应用中,可假设等离子体的电导率为无限大。
  • 粒子的多样性:气体通常只有单一一种粒子,所有气体粒子的行为类似,都受重力及其他粒子碰撞的影响。而等离子体则有2至3种不同性质的粒子,例如电子离子质子中子,这些不同性质的粒子可以以其电荷的正负和大小来区别,并会有不同的速度和温度。这能产生一些特殊的不稳定性
  • 速度分布:气体的粒子碰撞会使气体的诸粒子的速度符合麦克斯韦-玻尔兹曼分布,其中速度较高的粒子非常少。而有一定电离度的等离子体的诸粒子并不经常碰撞,因此以碰撞形式表现的相互作用不显著,另外外力的出现也会导致等离子体远远偏离局部平衡,并产生一组速度特别高的粒子,所以麦克斯韦-玻尔兹曼分布并不适合用来描述等离子体诸粒子的速度分布。
  • 粒子间的相互作用:气体的诸粒子的相互作用只局限于两颗粒子之间,而且是以碰撞的形成表现,三颗粒子间的碰撞是极为罕见的。而等离子体的诸粒子可以集体互动,在较大的距离上通过电磁力相互影响,所以会产生波以及其他有组织性的运动。

相变编辑

参数编辑

等离子体参数是一系列描述某种等离子体的性质的参数。一般来说是以厘米-克-秒制来当作参数的基本单位,但是温度却是以电子伏特当作单位,而质量则是以质子质量的倍数当作单位。在这里,K是指波长、Z是指荷电状态、k是指玻尔兹曼常数、γ是指绝热指数而Λ 是指库仑碰撞等离子体可以看成一群粒子的系统,因此可以用统计的方式研究它。

温度(粒子平均动能)编辑

温度笼统地说代表了一种物质中诸粒子的平均动能,计量单位一般是电子伏特开尔文。等离子体的温度可分成电子温度、离子温度和中性粒子温度。等离子体中的电子和其他诸电子之间一般会很接近热平衡,所以电子温度有良好的定义。但在紫外线、高能粒子或强电场等的影响下,诸电子的能量分布和麦克斯韦-玻尔兹曼分布会有较大的偏离,但尽管如此,电子温度仍然具有良好定义。由于质量相差悬殊,所以电子和其他诸电子之间要比电子和诸离子之间更快地达到热平衡。因此,离子温度和电子温度之间可以相差很大,其中离子温度接近室温,而电子温度则可以达到几千摄氏度以上。这种情况在弱电离等离子体中尤为常见。

高低温等离子体编辑

等离子体可以根据其电子温度、离子温度和中性粒子温度的相对比例归为两类——高温等离子体和低温等离子体。在高温等离子体中,电子温度、离子温度和中性粒子温度处于同一水平,即热平衡;在低温等离子体中,电子温度较高,而离子温度和中性粒子温度则比电子温度低很多,有时甚至接近室温。[10]

高温等离子体的明确定义是﹕

 ,其中   是电子温度、   是离子温度、   是中性粒子温度。

低温等离子体的明确定义是﹕

 

粒子数量密度编辑

电离度编辑

电离度指的是在等离子体所有分子的数量中,被电离了的分子(离子)所占的比例,这主要受物质的温度影响,物质的温度愈高电离度便愈高。等离子体可以根据电离度分为冷等离子体、热等离子体两种。热等离子体中的分子几乎完全电离,而冷等离子体中则只有小部分电离分子(比如1%)。要注意的是,“冷等离子体”和“热等离子体”在不同文献中可能会有不同的含义。

电离度   的明确定义是:

 ,其中   是第i個電離狀態中的原子數量密度,而   是中性分子的數量密度。

电子的数量密度与电离度的关系编辑

“等离子体密度”通常指的是“电子的数量密度”,也就是每单位体积中的自由电子数量。电子的数量密度   与电离度   的关系是:

 ,其中   是第i個電離狀態中的原子數量密度,而  是離子的平均電荷態。

电离能、电子温度和电离度的关系编辑

萨哈电离方程描述了电子温度、电离能电离度的关系,即电子温度与电离能的比例决定了等离子体的电离度(密度也有较弱的影响)。在比较高的电子温度下,才能要维持物质的电离状态;而在比较低的电子温度下,阳离子和电子会互相结合,等离子体就会成为气体。[11]

对于由一种原子所组成的气体,萨哈电离方程为:

 

其中 是第i個電離狀態中的原子數量密度,也就是說,原子失去了i個電子; i-離子的狀態的簡併能階 是中性原子失去i個電子,形成一個i級離子所需要的能量; 是電子的數量密度; 是電子的熱得布羅意波長:  是電子質量; 是氣體的溫度 玻茲曼常数 普朗克常数

电势编辑

带电粒子间的空间内的电势称为“等离子体电势”或“空间电势”。不过由于德拜鞘层的缘故,如果往等离子体中插入电极,所测量的电势一般都会比等离子体电势低很多。等离子体是良好的导电体,所以其内部的电场很小。从而有“准中性”这一重要的概念,即:在足够大的范围内,等离子体中的阳离子和阴离子有近乎相同的数量密度( );在德拜长度尺度上,则会有不均匀的电荷分布。在产生双层的特殊情况下,电荷分离的尺度可以是德拜长度的数十倍。

要得出电势和电场的大小,一种做法是假设电子的数量密度满足玻尔兹曼关系

 

对等号两边求导,可得出从等离子体的电子的数量密度计算其内部的电场的公式:

 

等离子体也有可能不是准中性的,例如电子束就只含阴离子。非中性等离子体一般密度都非常低,或体积非常小,否则静电力的会使等离子体自相排斥并消散。

天体物理学所研究的等离子体中,德拜屏蔽会避免电场在大尺度上(超过德拜长度)影响等离子体。但是,等离子体中的带电粒子会产生磁场,并受磁场的影响,例如形成双层──电荷间分离数十个德拜长度。等离子体在外部和内部磁场影响下的动力学现象,是磁流体力学的研究对象。

磁化强度编辑

当等离子体的自身磁场足以影响带电粒子的运动时,就可称之为“磁化等离子体”。常用的量化条件是,某粒子在与其他粒子碰撞之前,要在磁场内回旋至少一圈: ,其中 是电子回转频率, 是电子碰撞率。一种较常见的情况是,等离子体中的电子是磁化的,阳离子则不是。磁化等离子体不具各向同性:它在平行和垂直于磁场的方向上有不同的性质。虽然等离子体自身的电场很小,但在磁场中运动的等离子体也会产生电场:

 ,其中 是電場, 是速度, 是磁場。這一電場不受德拜鞘層影響。[12]

参数的范围编辑

等离子体参数可以在数个数量级之间变化,但在参数上显然不同的等离子体,却有相当类似的性质(参考等离子体比例英语plasma scaling),下表只考虑传统带正负电的等离子体,不考虑特殊的夸克-胶子等离子体

 
等离子体参数范围。纵轴为电子密度,横轴为温度。金属内的自由电子可以视为电子等离子体。[13]

复合现象编辑

等离子体结构在空间上断断续续,即特征间的距离大于特征本身的大小,甚或产生分形,因此无法用光滑的数学函数或纯粹的随机过程去表达。

成丝编辑

白克兰电流是一种丝弦状结构,[14]可见于等离子灯极光[15]闪电[16]电弧太阳耀斑[17]超新星遗迹等的等离子现象。[18]弦中的电流密度更高,在磁场的影响下会产生磁绳结构。[19]标准大气压下的高功率微波分解也会造成丝状结构的形成。[20]

高功率激光脉冲的自我聚焦效应也会产生丝状等离子体。在高功率下,折射率的非线性部分变得重要。因为激光束的中心比外围更亮,所以中心的折射率会比外围更高,使得激光进一步聚焦。亮度峰值(福照度)因此增加,并使激光束产生等离子体。等离子体的折射率低于1,会使激光束发散。在自我聚焦效应和等离子体发散效应之间的相互作用下,等离子体形成丝状,其长度短至微米,长至公里[21]这样产生的丝状等离子体的特点是离子密度低,这是由于电离电子有发散的作用。[22]

激波和双层编辑

当激波(移动)或双层(静止)这些薄片结构存在的情况下,等离子体的性质从薄片的一边到另一边可以有急剧的变化(在几个德拜长度以内)。双层之中的局部电荷分离使双层内部有较大的电势差异,但在双层以外不产生任何电场。这可以分隔开双层两边性质不同的等离子体,并使离子和电子加速。

电场和电路编辑

等离子体的准中性意味着,等离子体中的任何电流都必须形成回路。这种回路同样遵守基尔霍夫电路定律,并具有电阻电感。一般来说,等离子体回路都必须当做强耦合系统,即某一区域的性质受整个回路的影响。强耦合性加上非线性会产生复杂的现象。这些回路中储存着磁能,一旦回路受到破坏,例如因等离子体不稳定性,这一能量将会以加热和加速的形式释放出来。日冕中的加热现象通常就是以此为解释的。等离子体电流,特别是磁场对齐的电流(一般称为白克兰电流),也出现在地球极光和丝状等离子体中。

胞状结构编辑

等离子体中所形成的高梯度薄片可以分隔开磁化强度、密度、温度等性质不同的区域,形成胞状结构,如磁层太阳圈太阳圈电流片等。汉尼斯·阿尔文曾写道:“从宇宙学的观点来看,太空研究中最重要的新发现莫过于宇宙的胞状结构。在原位测量方法能够研究的一切宇宙范围内,无一不有‘胞壁’。这些带电流的薄片把太空分割成磁化强度、密度、温度等等性质各异的区域。”[23]

临界电离速度编辑

当等离子体和中性气体之间达到一定的相对速度时,就会发生失控的电离反应,这一临界速度称为临界电离速度。临界电离过程可以将快速流动气体的动能转化为电离能和等离子体热能,适用范围广泛。临界现象会产生空间或时间上急剧变化的结构,是复杂系统的一个典型特征。

特殊复合现象编辑

尘埃等离子编辑

尘埃等离子体含有细小的带电尘粒,通常存在于太空之中。尘粒能积累较高的电荷,并相互影响。实验室中的尘埃等离子体又称“复合等离子体”。[24]

超低温等离子体编辑

超低温等离子体可以通过人为方法取得,首先使用磁光阱将中性原子降温至1 mK以下,再用另一个激光束把仅仅足够的能量传给原子的最外层电子,使其脱离原子的束缚。超低温等离子体的优势在于,其初始条件能够很好地设定及调整,包括大小和电子温度。通过调整用于电离的激光的波长,便能控制逃逸电子的动能。这一动能是由激光脉冲的带宽决定的,最低可达0.1 K。电离后产生的离子一开始会保留中性原子原来的温度,但温度会因为所谓的乱度加热效应而迅速升高。此类非平衡超低温等离子体会快速地演变。[25]

不可渗透等离子体编辑

不可渗透等离子体是一种热等离子体,它对于气体和冷等离子体的性质如同不可渗透的固体,而且能够受别的物质推挪。以汉尼斯·阿尔文为首的研究组曾经在1960至1970年代短暂地研究不可渗透等离子体,试图在核聚变反应中用它来隔开聚变等离子体和反应堆壁。[26]然而他们不久后发现,这种组态下的外部磁场会使等离子体产生所谓的扭折不稳定性,导致热量过多地向炉壁流失。[27]

2013年,一组材料科学家宣称,他们不用磁约束,只用一层超高压力低温气体,成功地生成稳定的不可渗透等离子体。虽然由于高压的关系无法通过光谱法取得等离子体的性质,但从等离子体对各种纳米结构合成过程的间接影响可以清晰看出,这种约束方法是有效的。他们还发现,在维持不渗透性几十秒后,等离子体和气体的界面会筛选离子,这有可能引起第二种加热模式(称为粘性加热)。这种模式意味着,反应会有不同的动力学特性,并会产生复杂的纳米材料[28]

数学描述编辑

要完全描述等离子体的状态,原则上须要写下所有粒子的位置和速度,并计算出等离子体范围内的电磁场。不过这种繁复的做法一般是不切实际的,在现实中也不可能测量出每颗粒子的动态。所以,等离子体物理学家通常会运用简化的模型,这些模型可分为以下两大类。

流体模型编辑

流体模型利用光滑的量来描述等离子体,如密度和某位置周围的平均速度(参见等离子体参数)。简单的流体模型有磁流体力学,它结合麦克斯韦方程组纳维-斯托克斯方程组,并把等离子体视为遵守这套方程组的单一流体。再推广一步,有将离子和电子分开描述的双流体模型。当碰撞频率足够高,使等离子体的速度分布近似麦克斯韦-玻尔兹曼分布时,流体模型就相对准确。由于流体模型通常把等离子体描述成每个空间位置具有某特定温度的单一的流,因此无法描述等离子体束或双层这类速度随空间改变的结构,以及任何波粒效应。

动力学模型编辑

动力学模型描述等离子体中每一点的速度分布函数,所以无须假设麦克斯韦方程组。在无碰撞等离子体中,往往需要此类模型。动力学模型有两种:第一种在速度和位置上设下格子,并在格子上表示光滑化的分布函数;另一种称为“胞中粒子”方法,它通过追踪一大群单独粒子的轨迹来描述动力学状态。动力学模型的计算密集度一般比流体模型更高。弗拉索夫方程能够描述带电粒子与电磁场发生相互作用的系统的动力学状态。

在磁化等离子体中,陀螺动力学方法可以大大降低一个完全使用动力学模型的模拟的计算密集度。

自然中的等离子体及相关现象的例子编辑

等离子体从质量和体积上都是宇宙中最常见的物质相态[30]大部分来自太空的可见光都源于恒星,而恒星是由等离子体所组成,其温度所对应的辐射含较强的可见光。更宏观地来看,宇宙绝大部分普通物质(即重子物质)都位于星系际空间,同样是由等离子体组成,其温度则高得多,主要辐射X-射线。尽管如此,如果纳入普通物质以外所有类型的能量,那么在全宇宙的总能量密度中,就有96%不属于普通物质(进而也不是等离子体),而是冷暗物质暗能量[31]

1937年,汉尼斯·阿尔文论证,如果宇宙充斥着等离子体,这些物质就会产生电流,从而产生星系尺度上的磁场。[32]在获得诺贝尔物理学奖后,他又强调:

要了解某个等离子体区域内的各种现象,既要测绘出磁场,又要测绘出电场和电流。太空中布满了纵横交错的电流网络,能够在大尺度乃至非常大尺度上传递能量和动量。这些电流往往会缩成丝状或表面电流,后者很有可能会使太空──星际和星系际空间──形成一种胞状结构。[33]

太阳和其他恒星一样是由等离子体所组成。[31]其最外层称为日冕,是温度约为106 K的等离子体,从太阳表面开始向整个太阳系扩张,充斥行星际空间,并止于日球层顶[3]在日球层顶以外,也充斥着等离子体星际介质。连无法直接观测的黑洞相信也是通过吸入吸积盘中的等离子体而壮大的,[31]而且和由发光等离子体所组成的相对论性喷流有紧密的联系,[34]如延伸5千光年之遥的室女A星系喷流[35]

等离子体中如果有尘粒,净负电荷会积累在尘粒上,这些尘粒的性质类似于质量很大的阴离子,且可以视为等离子体的一个组成部分。[36][37]

等离子体现象编辑

由等离子体组成的物质编辑

人工等离子体及人为等离子放电编辑

将气体转化成等离子体有许多种方法,但生成和维持都需要能量的输入,环境压力也需要维持在特定的范围内。[41]

大气压力等离子放电编辑

电弧放电编辑

电弧放电是一种高温、高功率的放电现象,最明显的例子是闪电。当对介电气体或其他流体(绝缘体)施加电压,电压产生的电场会把负电荷拉向阳极,而把正电荷拉向阴极[42]当电压不断增加,电极化会对材料施加应力,直到超过其介电极限。这时发生电击穿现象,释放电弧,使绝缘材料电离,变为等离子体。其背后的原理是汤森德突崩英语Townsend avalanche:初始电离所释放的电子,在每次撞击中性原子时,都会再释放一颗电子,如此类推,迅速产生一连串的连锁电离反应。[43]

当电流密度及物质的电离度达到一定的程度,两个电极之间就会形成发光的电弧。这是一种空间上连续的放电现象[注 1]。电弧的连续轨迹上的电阻会产生热量,进而分解更多的气体分子,使更多的原子电离(电离度取决于温度),气体如此逐渐变为热等离子体[注 2]。热等离子体处于热平衡,也就是说,电子和质量大的粒子(原子、分子和离子)温度相近。这是因为,在热等离子体形成的时候,电子所接收的电能会因电子数量庞大及流动性强而迅速分散,再通过弹性碰撞(即不丧失任何能量)传递给大质量粒子[44][注 3]

电晕放电编辑

电晕放电沿着高压电极的边沿形成。应用于臭氧产生器,其产生过程是通过高压电离将空气中的部分氧气分解为氧原子,这些氧原子再和氧分子聚合成臭氧。除尘器是另一例子。

其他大气压力等离子放电编辑

  • 介质阻挡放电:在高压的细小间隙内形成,其中有绝缘涂层避免等离子体成为电弧。这种现象在工业中的用途与电晕放电(Corona Treater)相似,常被人们误称为电晕放电。应用于纺织物的幅处理,[45]有助染料、胶水等物质黏合在纺织物表面上。[46]
  • 电容放电:一个电极接上交流电13.56 MHz),另一电极接地,两极相距约1 cm。[47]广泛应用于电容放电式点火系统。
  • 压电效应直接放电:在压电变压器的高压端形成。适用于不具备单独高压电源的高效、细小设备。

高气压等离子放电编辑

高压气体等离子放电,是指在较高气压的初始环境下发生的等离子放电现象。

低气压等离子放电编辑

  • 发光放电:通过在两个金属电极间,施加直流电或频率低于100 kHz的交流电荧光灯是使用电力将氩或氖气成为等离子体的例子。[48]
  • 容性耦合放电:通过在两个金属电极间,施加频率为13.56 MHz交流电。性质类似于发光放电,但容性耦合产生的等离子体鞘层强度低很多。应用于集成电路产业,作等离子体蚀刻及等离子增强化学气相沉积。[49]
  • 感应耦合放电:利用电磁感应原理,在容器外绕上线圈使容器内的气体成为等离子体,性质和应用范畴类似于容性耦合。[50]
  • 多级弧放电:能制造低温(约1 eV)高密度等离子体的仪器。
  • 波加热放电:一般在无线电波频段,这点类似于电感及容性耦合等离子体。例子有螺旋波等离子体源和电子回旋共振等。[51]

真空等离子放电编辑

在真空环境下,放电现象是不能被肉眼看见。1879年,威廉·克鲁克斯在真空管中发现的阴极射线(电子流),他称之为“发光物质”,克鲁克斯当时所看见的“发光物质”之所以发光,应该是因为管中残留的少量气体粒子与阴极射线的高速电子碰撞所致,发光并不是等离子体现象的基本特性。

工商业应用例子编辑

由于等离子体的温度和密度范围极广,所以能应用在许多学术研究、科技及工业范畴中。工业用途有:工业及萃取冶金学[44]等离子体喷涂等表面处理法、微电子学蚀刻法、[52]金属切割[53]焊接等。日常用途有汽车排气净化和荧光灯等。[41]另外还有航空航天工程中的超音速燃烧冲压发动机[54]

标准分类编辑

多数人造等离子体是通过对气体增加电磁场产生的。实验室或工业产生的等离子体一般根据以下各项标准分类:

  • 所用的能源类型──直流电、射频源、微波源等等
  • 能源的操作压力──真空(小于10 mTorr,1 Pa)、中等压力(约1 Torr,100 Pa)、大气压力(760 Torr,100 kPa)
  • 等离子体的电离度──完全电离、部分电离、弱电离
  • 等离子体组成部分的温度关系──热等离子体( )、冷等离子体( 
  • 生成等离子体所用的电极构造
  • 等离子体粒子的磁化强度──完全磁化(离子和电子都受磁场束缚在拉莫轨道上)、部分磁化(只有电子受磁场束缚)、非磁化(磁场太弱,无法把粒子束缚在轨道上,但仍能产生洛伦兹力

学术研究历史及未来研究方向编辑

威廉·克鲁克斯在1879年在他所研制的克鲁克斯管中发现等离子体,他称之为“发光物质”。[56]约瑟夫·汤姆孙在1897年研究出克鲁克斯管中所含的“阴极射线”物质的真实性质。[57]欧文·朗缪尔在1928年创造了“plasma”一词,现成为等离子体在欧洲各语言中的名称,[58]源于希腊文的“πλάσμα”(模塑成型之物)。这样命名,可能是因为克鲁克斯管中的发光体会自行改变成管的形状。[59]朗缪尔描述道:

除了在电极附近有含极少电子的鞘层以外,电离气体含有大体相同数量的离子和电子,所以整体空间内的电荷很小。这一离子和电子的电荷达到平衡的空间,我们称之为“plasma”。[58]

参见编辑

注释编辑

  1. ^ 在电压增强的过程中,物质会根据电压和电流间的关系经过若干阶段(饱和、瓦解、发光、过渡、电弧等)。电压在饱和阶段达到峰值,并在其后各阶段中波动;电流则在所有阶段中持续上升。[43]
  2. ^ 众多相关文献中,对气体和等离子体间的界线似乎并没有严格的定义。但可以说的是,气体分子在2,000 °C会瓦解成原子,并在3,000 °C电离。“在此状态下,气体在大气压下的黏度接近液体。自由电子的存在使它的导电性较强,达到接近金属的程度。”[44]
  3. ^ 反之,冷等离子体不处于热平衡,其电离度较低,温度也非均匀地分布在各类粒子之中。一些大质量粒子可处于较低的温度。

参考资料编辑

  1. ^ Luo, Q-Z; D'Angelo, N; Merlino, R. L. Shock formation in a negative ion plasma (PDF) 5 (8). Department of Physics and Astronomy. 1998 [2011-11-20]. (原始内容存档 (PDF)于2016-08-31). 
  2. ^ 2.0 2.1 Sturrock, Peter A. Plasma Physics: An Introduction to the Theory of Astrophysical, Geophysical & Laboratory Plasmas. Cambridge University Press. 1994. ISBN 978-0-521-44810-9. 
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外部链接编辑