等离子体概述
等离子体概述
等离子体概述
什么是等离子体
等离子体是物质存在（固、液、气体）的第四种状态，是由大量带电粒子组成的非束缚状态的宏观体系。等离子体是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态，广泛存在于宇宙中，常被视为是物质的第四态，也称“电浆体”。等离子体具有很高的电导率，与电磁场存在极强的耦合作用。
等离子体是由克鲁克斯在1879年发现的，1928年美国科学家欧文·朗缪尔和汤克斯（Tonks）首次将Plasma一词引入物理学，用来描述气体放电管里的物质形态。Plasma是源自希腊文，意为可形塑的物体，此字有随着容器形状改变自身形状之意，如灯管中的等离子体会随着灯管的形状改变自身的形状。严格来说，等离子体是具有高位能动能的气体团，等离子体的总带电量仍是中性，借由电场或磁场的高动能将外层的电子击出，结果电子已不再被束缚于原子核，而成为高位能高动能的自由电子。
等离子体的分类
等离子体可以根据存在形式、电离度以及温度关系进行分类：
- 按存在形式分：
- 天然等离子体：太阳、恒星、星云、极光、雷电等
- 人工等离子体：日光灯、霓虹灯、电火花、电弧等
- 按电离度分：
- 完全电离等离子体：电离度β=100%
- 强电离等离子体：电离度β≥1%
- 弱电离等离子体：电离度β<1%
- 按温度关系分：
- 冷等离子体：电子温度Te≠离子温度Ti
- 热等离子体：电子温度Te＝离子温度Ti
等离子体的性质
等离子体与固液气体存在明显差别。这三态只涉及分子间作用力，而等离子体由气态转化时需要克服原子核对外层电子的束缚，因此无论是成分还是性质均有较大的差别。等离子态常被称为“超气态”，它和气体有很多相似之处，比如：没有确定形状和体积，具有流动性，但等离子也有很多独特的性质。等离子体中的粒子具有群体效应，只要一个粒子扰动，这个扰动会传播到每个等离子体中的电离粒子。等离子体本身亦是良导体。
等离子体具有以下特性：
- 温度高，粒子动能大
- 作为带电粒子的集合体，具有类似金属的导电性能
- 化学性质活泼，容易发生化学反应
- 发光特性，可用作光源
等离子体的应用
等离子体在多个领域都有广泛的应用：
- 高温等离子体应用
- 主要用于热核聚变发电
- 通过聚变反应产生的粒子具有很高的能量，将这种能量转化为热能可用于发电
- 燃料氘来源于海水，具有清洁、价廉的优点
- 主要采用磁约束和惯性约束两种方法
- 热等离子体应用
- 温度为0.1～4电子伏，电流为1～100安及以上
- 主要用于难熔金属冶炼、机加工等
- 优点是产品成分及微结构的一致性好，可免除容器材料的污染
- 冷等离子体应用
- 电子温度比离子温度高，分别为10电子伏及以下和室温
- 主要用于化学合成、材料表面改性和大规模集成电路的刻蚀
- 可以促使有机及无机化合物进行各种反应
- 可以应用于各种金属基体，主要有辉光放电渗氮，氮碳共渗，渗硼
- 军事及高技术应用
- 等离子体天线、等离子体隐身、等离子体减阻、等离子体鞘套、等离子体诱饵
- 大功率微波器件、X射线激光、强流束技术、等离子体推进
等离子体在宇宙中的存在
宇宙中90％物质处于等离子体态。由地球表面向外，等离子体是几乎所有可见物质的存在形式，大气外侧的电离层、日地空间的太阳风、太阳日冕、太阳内部、星际空间、星云及星团，毫无例外的都是等离子体。
等离子体物理学科发展简史
19世纪30年代起，放电管中电离气体，现象认识建立等离子体物理基本理论框架。20世纪50年代起，受控热核聚变、空间技术等离子体物理成为独立的分支学科。20世纪80年代起，气体放电和电弧技术发展应用低温等离子体物理发展。
等离子体物理研究领域
低温应用等离子体、高温聚变等离子体、空间和天体等离子体。
等离子体的未来展望
等离子体技术在能源、材料、电子、军事等多个领域都有广阔的应用前景。随着科技的发展，等离子体技术将为人类带来更多创新和突破。
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