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等离子体基本概念与产生原理

文章出处:本站 | 网站编辑:深圳纳恩科技有限公司| 发表时间:2022-08-23
地球自然界中的物质主要是以固体、液体或者气体三态中的任一态存在。而由地球表面向外,等离子体是几乎所有可见物质的存在形式,宇宙中90%的物质处于等离子体态。如图1.1所示,典型的等离子体态物质包括大气外侧的电离层、日地空间的太阳风、太阳日冕、闪电和极光等。另外,在人工可控核聚变技术(如托卡马克装置等)中,也应用到了等离子体技术。
典型的等离子体态物质和等离子体的典型应用
图 1.1 典型的等离子体态物质和等离子体的典型应用:(a)太阳日冕;(b)北极光;(c)星云;(d) 托卡马克装置
 
等离子体主要是由气体经过放电产生的,如图1.2所示,以水为例,当温度升高时,水从冰(固态)变为液态水(液态)和水蒸气(气态)。当温度进一步升高,构成水蒸气的水分子也获得足够大的动能,开始彼此分离,这一过程称为离解。在此基础上进一步提高温度,就会出现一种全新的现象:原子的外层电子将摆脱原子核的束缚而成为自由电子,失去电子的原子变成带正电的离子,这一过程被称为电离。由于物质分子热运动加剧,相互间的碰撞也会使气体分子产生电离,由此,物质就变成由自由运动并相互作用的正离子和电子组成的混合物,称为等离子体(Plasma)。20世纪物理学的主要成就之一,就是明确了等离子体是物质的第四态。
图 1.2 等离子体产生原理(以水为例)
图 1.2 等离子体产生原理(以水为例)
 
等离子体由大量离子和自由电子组成,整体上表现为近似电中性,与物质的三态一样,是物质存在的一种聚集态。从宏观上看,等离子体是一种导电的流体,由等离子体的生成过程可知,当给气体施加显著的高温或高能量时,中性的物质就会被离解成离子、电子和自由基。另外,等离子体本身具有变成为电中性的强烈倾向,等离子体中的电荷分离需要由等离子体本身的内能(热能)或外加电场来维持。按照压强、电极形状、外加电压、放电频率的不同,气体放电可以分为不同形式,主要有辉光放电、电弧放电、电晕放电、火花放电等。其中辉光放电是等离子体放电中广泛应用的一种放电状态,也是最为常见的放电形式。

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