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等离子体(Plasma)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,被称为等离子态,或者“超气态”。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“等离子体(plasma)”一词引入物理学,用来描述气体放电管里的物质形态。
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等离子体的原理
等离子体是存在最广泛的一种物态,目前观测到的宇宙物质中,99%都是等离子体,雖然分佈的範圍很稀薄。
荧光灯,霓虹灯灯管中的电离气体
核聚变实验中的高温电离气体
电焊时产生的高温电弧,电弧灯中的电弧
火箭喷出的气体
等离子显示器和电视
太空飞船 重返地球时在飞船的热屏蔽层 前端产生的等离子体
在生产集成电路用来蚀刻电介质层的等离子体
等离子球
St. Elmo's fire
Sprites, elves, jets
火焰(上部的高温部分)
闪电
低溫等离子体NTP
球状闪电
大气层中的电离层
极光
太阳 和其他 恒星
(其中等离子体由于热核聚变供给能量产生)
太阳风
行星际介质
(存在与行星之间)
星际介质
(存在于恒星之间)
星系间介质
(存在于星系之间)
Io-木星 的通量管
吸积盘
星云
常见的等离子体
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。
等离子体的性质
等离子体和普通气体的最大区别是它是一种电离气体。由于存在带负电的自由电子和带正电的离子,有很高的电导率,和电磁场的耦合作用也极强:带电粒子可以同电场耦合,带电粒子流可以和磁场耦合。描述等离子体要用到电动力学,并因此发展起来一门叫做磁流体动力学的理论。
电离
和一般气体不同的是,等离子体包含两到三种不同组成粒子:自由电子,带正电的离子和未电离的原子。这使得我们针对不同的组分定义不同的温度:电子温度和离子温度。轻度电离的等离子体,离子温度一般远低于电子温度,称之为“低温等离子体”。高度电离的等离子体,离子温度和电子温度都很高,称为“高温等离子体”。
相比于一般气体,等离子体组成粒子间的相互作用也大很多。
组成粒子
一般气体的速率分布满足麦克斯韦分布,但等离子体由于与电场的耦合,可能偏离麦克斯韦分布。
速率分布
等离子电视
等离子泡泡
等离子体在现实生活中的应用
等离子体物理学
等离子体天体物理学