等離子體基本概念與產生原理

文章出處：等離子清洗機廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發表時間：2022-08-23

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

圖 1.1 典型的等離子體態物質和等離子體的典型應用：（a）太陽日冕；（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過放電產生的，如圖1.2所示，以水為例，當溫度升高時，水從冰（固態）變為液態水（液態）和水蒸氣（氣態）。當溫度進一步升高，構成水蒸氣的水分子也獲得足夠大的動能，開始彼此分離，這一過程稱為離解。在此基礎上進一步提高溫度，就會出現一種全新的現象：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，這一過程被稱為電離。由于物質分子熱運動加劇，相互間的碰撞也會使氣體分子產生電離，由此，物質就變成由自由運動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世紀物理學的主要成就之一，就是明確了等離子體是物質的第四態。

圖 1.2 等離子體產生原理（以水為例）

等離子體由大量離子和自由電子組成，整體上表現為近似電中性，與物質的三態一樣，是物質存在的一種聚集態。從宏觀上看，等離子體是一種導電的流體，由等離子體的生成過程可知，當給氣體施加顯著的高溫或高能量時，中性的物質就會被離解成離子、電子和自由基。另外，等離子體本身具有變成為電中性的強烈傾向，等離子體中的電荷分離需要由等離子體本身的內能（熱能）或外加電場來維持。按照壓強、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用的一種放電狀態，也是最為常見的放電形式。