等離子體基本概念與產(chǎn)生原理

文章出處：等離子清洗機(jī)廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時(shí)間：2022-08-23

地球自然界中的物質(zhì)主要是以固體、液體或者氣體三態(tài)中的任一態(tài)存在。而由地球表面向外，等離子體是幾乎所有可見(jiàn)物質(zhì)的存在形式，宇宙中90%的物質(zhì)處于等離子體態(tài)。如圖1.1所示，典型的等離子體態(tài)物質(zhì)包括大氣外側(cè)的電離層、日地空間的太陽(yáng)風(fēng)、太陽(yáng)日冕、閃電和極光等。另外，在人工可控核聚變技術(shù)（如托卡馬克裝置等）中，也應(yīng)用到了等離子體技術(shù)。

圖 1.1 典型的等離子體態(tài)物質(zhì)和等離子體的典型應(yīng)用：（a）太陽(yáng)日冕；（b）北極光；（c）星云；（d）托卡馬克裝置

等離子體主要是由氣體經(jīng)過(guò)放電產(chǎn)生的，如圖1.2所示，以水為例，當(dāng)溫度升高時(shí)，水從冰（固態(tài)）變?yōu)橐簯B(tài)水（液態(tài)）和水蒸氣（氣態(tài)）。當(dāng)溫度進(jìn)一步升高，構(gòu)成水蒸氣的水分子也獲得足夠大的動(dòng)能，開(kāi)始彼此分離，這一過(guò)程稱為離解。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高溫度，就會(huì)出現(xiàn)一種全新的現(xiàn)象：原子的外層電子將擺脫原子核的束縛而成為自由電子，失去電子的原子變成帶正電的離子，這一過(guò)程被稱為電離。由于物質(zhì)分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，相互間的碰撞也會(huì)使氣體分子產(chǎn)生電離，由此，物質(zhì)就變成由自由運(yùn)動(dòng)并相互作用的正離子和電子組成的混合物，稱為等離子體（Plasma）。20世紀(jì)物理學(xué)的主要成就之一，就是明確了等離子體是物質(zhì)的第四態(tài)。

圖 1.2 等離子體產(chǎn)生原理（以水為例）

等離子體由大量離子和自由電子組成，整體上表現(xiàn)為近似電中性，與物質(zhì)的三態(tài)一樣，是物質(zhì)存在的一種聚集態(tài)。從宏觀上看，等離子體是一種導(dǎo)電的流體，由等離子體的生成過(guò)程可知，當(dāng)給氣體施加顯著的高溫或高能量時(shí)，中性的物質(zhì)就會(huì)被離解成離子、電子和自由基。另外，等離子體本身具有變成為電中性的強(qiáng)烈傾向，等離子體中的電荷分離需要由等離子體本身的內(nèi)能（熱能）或外加電場(chǎng)來(lái)維持。按照壓強(qiáng)、電極形狀、外加電壓、放電頻率的不同，氣體放電可以分為不同形式，主要有輝光放電、電弧放電、電暈放電、火花放電等。其中輝光放電是等離子體放電中廣泛應(yīng)用的一種放電狀態(tài)，也是最為常見(jiàn)的放電形式。