等离子体基本概念与产生原理

文章出处：等离子清洗机厂家 | 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。

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）

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。