電漿

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電漿Plasma)是一種由自由電子和帶電離子為主要成分的物質形態,廣泛存在於宇宙中,也是宇宙中豐度最高的物質形態[1][2],常被視為是物質的第四態,被稱為電漿態,或者「超氣態」,也稱「電漿體」。

電漿具有很高的電導率,與電磁場存在極強的耦合作用。電漿是由克魯克斯在1879年發現的,1928年美國科學家歐文·朗繆耳和湯克斯(Tonks)首次將Plasma一詞引入物理學,用來描述氣體放電管裡的物質形態[3],Plasma是源自希臘文,意為可形塑的物體,此字有隨著容器形狀改變自身形狀之意,如燈管中的電漿會隨著燈管的形狀改變自身的形狀。 嚴格來說,電漿是具有高位能動能的氣體團,電漿的總帶電量仍是中性,藉由電場或磁場的高動能將外層的電子擊出,結果電子已不再被束縛於原子核,而成為高位能高動能的自由電子。

電漿的原理[編輯]

電漿通常被視為物質除固態、液態、氣態之外存在的第四種形態[4]。如果對氣體持續加熱,使分子分解為原子並發生電離,就形成了由離子電子和中性粒子組成的氣體,這種狀態稱為電漿。除了加熱之外,還可以利用如加上強電磁場等方法使其解離。電漿與氣體的性質差異很大,電漿中起主導作用的是長程的庫侖力,而且電子的質量很小,可以自由運動,因此電漿中存在顯著的集體過程(collective behavior),如振蕩與波動行為。電漿中存在與電磁輻射無關的聲波,稱為阿爾文波

常見的電漿[編輯]

太陽
雷電
極光

電漿是宇宙中存在最廣泛的一種物態,目前觀測到的宇宙物質中,99%都是電漿,雖然分佈的範圍很稀薄。

常見電漿形態包括
人造電漿
地球上的電漿
太空天體物理中的電漿

電漿的性質[編輯]

相圖上,物質在極高的溫度可轉變為電漿體,轉變的溫度稱為離子化點

電漿態常被稱為「超氣態」,它和氣體有很多相似之處,比如:沒有確定形狀體積,具有流動性,但電漿也有很多獨特的性質。電漿中的粒子具有群體效應,只要一個粒子擾動,這個擾動會傳播到每個電漿中的電離粒子。電漿本身亦是良導體。

定義[編輯]

電漿可以簡單定義為由許多帶電粒子組成,總和大約為電中性的物質。電漿中的粒子會受到作用力的影響:當粒子運動時會會產生電流以及磁場,因此電漿粒子會受到彼此產生的電磁場的影響,這也會影響電漿整體的特性,減少一些自由度[5][6]。電漿可以由以下三個準則來識別[7][8]

  1. 電漿近似:帶電粒子彼此之間的距離需相當接近,帶電粒子需可以影響許多鄰近的粒子,而不是隻影響最近的粒子(電漿的整體性效應是電漿特殊的性質之一)。當半徑為德拜長度的「德拜球」空間內,平均帶電粒子數量大於1時,即有電漿的整體性效應。德拜球內的平均帶電粒子數量稱為電漿數英語plasma parameter,可以用希臘字母"Λ"表示。
  2. 容積交互作用(Bulk interactions):電漿的德拜長度小於電漿體實際的體積,因此電漿的作用力主要是在電漿內部,而不是在其周圍,若符合這個準則,電漿可視為準中性。
  3. 電漿頻率:電漿的頻率(電子中電漿振盪的頻率)大於電中性振蘯的頻率(電子和中性粒子振盪的頻率),若滿足此條件,在一般氣體動力論的過程中,電漿只受靜電場的影響。

參數範圍[編輯]

電漿的參數可以在數個數量級之間變化,但在參數上顯然不同的電漿,卻有相當類似的性質(參考電漿比例英語plasma scaling),下表只考慮傳統帶正負電的電漿,不考慮特殊的夸克-膠子漿

電漿範圍,密度由上往下增加,溫度由左往右增加。金屬中的自由電子也可以視為是電子電漿[9]
電漿參數的典型範圍及數量級
特性 地球上的電漿 宇宙的電漿
大小
單位:公尺
10−6 m(實驗室電漿)到102 m(閃電)(相差8個數量級 10−6 m(太空飛行器護套)到
1025 m(銀河星雲)(相差31個數量級)
壽命
單位:秒
10−12 s(雷射產生的電漿)到
107 s (蛍光燈)(相差19 個數量級)
101 s(太陽耀斑)到
1017 s(銀河星雲)(相差16個數量級)
密度
單位:粒子數/立方公尺
107 m−3
1032 m−3(慣性約束電漿)
1 m−3(星系際介質)到
1030 m−3 (恆星核心)
溫度
單位:絕對溫度
~0 K(

結晶性非中性電漿[10])到
108 K(磁融合電漿)

102 K(極光)到
107 K(太陽核心)
磁場
單位:特斯拉
10−4 T(實驗室電漿)到
103 T(脈衝功率電漿)
10−12 T(星系際介質)到
1011 T(近中子星)

電離[編輯]

電漿和普通氣體的最大區別是它是一種電離氣體。由於存在帶負電的自由電子和帶正電的離子,有很高的電導率,和電磁場的耦合作用也極強:帶電粒子可以同電場耦合,帶電粒子流可以和磁場耦合。描述電漿要用到電動力學,並因此發展起來一門叫做磁流體動力學的理論。

組成粒子[編輯]

和一般氣體不同的是,電漿包含兩到三種不同組成粒子:自由電子,帶正電的離子和未電離的原子。因此可以針對不同的組分定義不同的溫度:電子溫度和離子溫度。輕度電離的電漿,離子溫度一般遠低於電子溫度,稱之為「低溫電漿」。高度電離的電漿,離子溫度和電子溫度都很高,稱為「高溫電漿」。

相比於一般氣體,電漿組成粒子間的交互作用也大很多。

速率分布[編輯]

一般氣體的速率分布滿足馬克士威分布,但電漿由於與電場的耦合,可能偏離馬克士威分布。

等離激元[編輯]

表面等離激元(surface plasmon)效應--實驗裡把金屬的微小顆粒視為電漿(金屬晶體因為其內部存在大量可以移動的自由電子----帶有定量電荷,自由分布,且不會發生碰撞導致電荷的消失----因此金屬晶體可以被視為電子的電漿),由於金屬的介電係數在可見光和紅外波段為負數,因此當把金屬和電介質組合為複合結構時會發生很多有趣的現象。當光波(電磁波)入射到金屬與介質分界面時,金屬表面的自由電子發生集體振蕩,如果電子的振蕩頻率與入射光波的頻率一致就會產生共振,這 時就形成的一種特殊的電磁模式:電磁場被局限在金屬表面很小的範圍內並發生增強,這種現象就被稱為表面等離激元現象。 這種電磁場增強效應能夠有效地提高分子的熒光產生信號,原子的高次諧波產生效率,以及分子的拉曼散射信號等。在宏觀的尺度上這一現象就表現為在特定波長,狀態下的金屬晶體的透光率的大幅提升。

電漿和氣體的比較[編輯]

電漿常稱為固體、液體及氣體以外的第四相[11][12]。但其特性和其他能量較低的物質狀態有顯著不同。電漿和氣體都沒有一定的形狀及體積,但兩者仍有以下不同之處:

性質 氣體 電漿
電導率 非常小:空氣是良好的絕緣體,在電場強度超過30kV/cm時會分解為電漿[13] 一般很大:在許多應用中,會假設電漿的電導率為無限大。
其中不同行為的粒子種類數 1:所有氣體粒子的行為類似,都受重力及其他粒子碰撞的影響。 2或是3電子離子質子中子其電荷的大小及符號不同,因此有獨立的行為,也有不同的溫度及速度,會有一些特殊的波動不穩定性
速度分佈 馬克士威-波茲曼分布:粒子的碰撞會造成氣體粒子的馬克士威-波茲曼分布,其中很少有高能量的粒子。 非馬克士威分佈:熱電漿的碰撞交互作用不強,以外力的影響為主,因此會有顯著比例的粒子有非常快的速度。
交互作用 二個粒子:主要以二個粒子之間的作用為主,三個粒子的碰撞很少見。 集體性:波動或是電漿的有組織作用非常重要,因為遠距離的粒子之間,會因電場及磁場而互相影響。

非中性電漿[編輯]

電子離子正電子反質子這類的帶電粒子集團因其集體式運動和電漿相似,被稱作非中性電漿。這類非中性電漿不會因溫度下降而發生如離子與電子相互結合這類情況,被用於製出低溫電漿。

活躍的研究[編輯]

霍爾效應推進器雙層電漿英語Double layer (plasma)中的電場可以有效的加速離子,因此可用在離子推力器

以下列出一些此領域的活躍研究,完整及有組織的列表可以在Plasma science and technology的網站上找到[14]

電漿在現實生活中的應用[編輯]

參見[編輯]

參考文獻[編輯]

  1. ^ Ionization and Plasmas. The University of Tennessee, Knoxville Department of Physics and Astronomy. 
  2. ^ How Lightning Works. HowStuffWorks. 
  3. ^ Langmuir, I., 1928, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 14, 627. NASA ADS DOI:10.1073/pnas.14.8.627
  4. ^ 認識電漿. Nemstek.com.tw. [2014-08-07]. 
  5. ^ Sturrock, Peter A. Plasma Physics: An Introduction to the Theory of Astrophysical, Geophysical & Laboratory Plasmas.. Cambridge University Press. 1994. ISBN 978-0-521-44810-9. 
  6. ^ Hazeltine, R.D.; Waelbroeck, F.L. The Framework of Plasma Physics. Westview Press. 2004. ISBN 978-0-7382-0047-7. 
  7. ^ Dendy, R. O. Plasma Dynamics. Oxford University Press. 1990. ISBN 978-0-19-852041-2. 
  8. ^ Hastings, Daniel and Garrett, Henry. Spacecraft-Environment Interactions. Cambridge University Press. 2000. ISBN 978-0-521-47128-2. 
  9. ^ Peratt, A. L. Advances in Numerical Modeling of Astrophysical and Space Plasmas. Astrophysics and Space Science. 1996, 242 (1–2): 93–163. Bibcode:1996Ap&SS.242...93P. doi:10.1007/BF00645112. 
  10. ^ 參考The Nonneutral Plasma Group at the University of California, San Diego
  11. ^ Yaffa Eliezer, Shalom Eliezer, The Fourth State of Matter: An Introduction to the Physics of Plasma, Publisher: Adam Hilger, 1989, ISBN 978-0-85274-164-1, 226 pages, page 5
  12. ^ Bittencourt, J.A. Fundamentals of Plasma Physics. Springer. 2004. 1. ISBN 9780387209753. 
  13. ^ Hong, Alice. Dielectric Strength of Air. The Physics Factbook. 2000. 
  14. ^ Web site for Plasma science and technology
  15. ^ High-tech dentistry – "St Elmo's frier" – Using a plasma torch to clean your teeth. The Economist print edition. Jun 17, 2009 [2009-09-07].