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什麽是等離子體?

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,當産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爲等離子狀態。

等离子体概述

等離子體定義

什么是等离子体?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离子体和液态等离子体。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离子体。电解质溶液中正负离子的组合为液态等离子体。1994年国家自然科学基金委员会在“等离子体物理学发展战略调研报告”中提出等离子体是由大量带电粒子组成的非凝聚系统。报告强调了等离子体的非凝聚系统属性,排除了单纯的固态和液态。因此,等离子体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,故称为等离子体。此等離子體定義既强调了等离子体微观上的电离属性,又强调了等离子体宏观上的电中性。

等离子体

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,就會産生電場。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“電子雲”。

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,並且這種密度漲落具有振蕩性。

等離子體具有鞘層現象:

因爲等離子體在開始時處在准電中性狀態,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複合,還有一部分剩余,從而在基板出現淨負電荷積累,這樣基板表面呈負電勢。該負電勢將排斥後續電子,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爲止。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。

高温等离子体是高于10000℃的等离子体,如聚变、太阳核心。高温等离子体中的粒子温度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。

低溫等離子體又分爲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産生的,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産生的。

等離子體作爲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,運動行爲會受到磁場影響或支配。

等離子體發生

日常生活环境中因不具备等离子体产生的条件而使人们对等离子体感到陌生。事实上,在一些特定的环境下是能看到自然界的等离子体现象的,如闪电、极光等。在宇宙中,99%以上的物质均是以等离子状态存在的,如太阳等恒星。在实验条件下产生等离子体的方法很多,大气压下气体放电逐步发展起来,相比于低气压气体放电,大气压气体放电无需复杂的真空系统,使费用大大降低。目前,实验室中常用的大气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)、射频等离子体(radio-frequency plasma)及微波等离子体(microwave plasma)。

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