等離子體

等離子體是物质存在的第四种状态。通常情况下物质有三种状态:气态、液态、固态。在一定温度和压力下三态可以互相转换。但在一定条件下,如加热、放电等,气体分子会发生解离、电离等过程,当产生的带电粒子密度达到一定数值时,物质状态就会出现新的变化,这时的电离气体已经不再是原来的气体了,人们把这时的状态称为等離子状态。

等離子體概述

等離子體定义

什么是等離子體?早期的定义为包含足够多的正电荷数目近于相等的带电粒子的物质聚集状态。当然,在这个定义下也包含了固态等離子體和液态等離子體。晶格中正离子和自由电子组合或半导体中电子与空穴的组合等为固态等離子體。电解质溶液中正负离子的组合为液态等離子體。1994年国家自然科学基金委员会在“等離子體物理学发展战略调研报告”中提出等離子體是由大量带电粒子组成的非凝聚系统。报告强调了等離子體的非凝聚系统属性,排除了单纯的固态和液态。因此,等離子體是指在宏观上呈电中性的电离态气体,是电子、离子、自由基和各种活性基团等粒子组成的集合体。其中正电荷总数和负电荷总数在数值上相等,故称为等離子體。此等離子體定义既强调了等離子體微观上的电离属性,又强调了等離子體宏观上的电中性。

等離子體

等離子體的特性

等離子體宏观上呈电中性:

通常情况下,等離子體呈现的是电中性,但是其如果受到某种扰动,它的内部就会出现局部电荷分离,就会产生电场。比如,在等離子體中放入一个带正电荷的小球,它就会吸引等離子體中的电子,排斥离子,从而在小球周围形成一个带负电的球状“电子云”。

等離子體具有振荡性:

通常情况下,等離子體在处于平衡状态时,宏观看其密度分布是均匀的,但从微观来看,其密度分布是有涨有落,是不均匀的,并且这种密度涨落具有振荡性。

等離子體具有鞘层现象:

因为等離子體在开始时处在准电中性状态,如果在等離子體中悬浮一个不导电的绝缘基板,此时等離子體中的离子与电子都会朝着这个基板运动,单位时间内到达基板上的电子数要远大于离子个数。到达基板的电子一部分与离子复合,还有一部分剩余,从而在基板出现净负电荷积累,这样基板表面呈负电势。该负电势将排斥后续电子,同时吸引正离子。直到基板负电势达到某个值,使离子流与电子流相等时为止。由于基板呈负电势,则在基板与等離子體交界处形成一个由正离子构成的空间电荷层,即离子鞘层。

等離子體分类

按温度分类:高温等離子體和低温等離子體。

高温等離子體是高于10000℃的等離子體,如聚变、太阳核心。高温等離子體中的粒子温度T> 108-109K,粒子有足够的能量相互碰撞,达到了核聚变反应的条件。

低温等離子體又分为热等離子和冷等離子體两种。

热等離子體是稠密气体在常压或高压下电弧放电或高频放电而产生的,温度也在上千乃至数万开,可使分子、原子离解、电离、化合等。

冷等離子體的温度在100-1000K之间,通常是稀薄气体在低压下通过激光、射频或微波电源发辉光放电而产生的。

等離子體作为具有一定电离度的气体-等離子體和普通气体的主要区别在于组成和性质。组成上普通气体是由电中性的分子或原子组成,而等離子體是由带电粒子和中性粒子组成的集合体。性质上等離子體是一种导电流体,但在宏观尺度上维持电中性,其带电粒子间存在库仑力,运动行为会受到磁场影响或支配。

等離子體发生

日常生活环境中因不具备等離子體产生的条件而使人们对等離子體感到陌生。事实上,在一些特定的环境下是能看到自然界的等離子體现象的,如闪电、极光等。在宇宙中,99%以上的物质均是以等離子状态存在的,如太阳等恒星。在实验条件下产生等離子體的方法很多,大氣压下气体放电逐步发展起来,相比于低气压气体放电,大氣压气体放电无需复杂的真空系统,使费用大大降低。目前,实验室中常用的大氣压气体放电有辉光放电(glow discharge)、介质阻挡放电(dielectric barrier discharge)、电晕放电(corona discharge)、滑动弧放电(gliding arc discharge)、火花放电(spark discharge)、射频等離子體(radio-frequency plasma)及微波等離子體(microwave plasma)。

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