等離子體

}-複合現象.等離子體結構在空間上斷斷續續，即特徵間的距離大於特徵本身的大小，甚或產生分形，因此無法用光滑的數學函式或純粹的隨機過程去表達。成絲.白克蘭電流是一種絲弦狀結構，可見於等離子燈、極光、閃電、電弧、太陽耀斑、超新星遺跡等的等離子現象。弦中的電流密度更高，在磁場的影響下會產生磁繩結構。標準大氣壓下的高功率微波分解也會造成絲狀結構的形成。高功率鐳射脈衝的自我聚焦效應也會產生絲狀等離子體。在高功率下，折射率的非線性部分變得重要。因為鐳射束的中心比外圍更亮，所以中心的折射率會比外圍更高，使得鐳射進一步聚焦。亮度峰值因此增加，並使鐳射束產生等離子體。等離子體的折射率低於1，會使鐳射束發散。在自我聚焦效應和等離子體發散效應之間的相互作用下，等離子體形成絲狀，其長度短至微米，長至公里。這樣產生的絲狀等離子體的特點是離子密度低，這是由於電離電子有發散的作用。激波和雙層.當激波。雙層之中的區域性電荷分離使雙層內部有較大的電勢差異，但在雙層以外不產生任何電場。這可以分隔開雙層兩邊性質不同的等離子體，並使離子和電子加速。電場和電路.等離子體的準中性意味著，等離子體中的任何電流都必須形成迴路。這種迴路同樣遵守基爾霍夫電路定律，並具有電阻和電感。一般來說，等離子體迴路都必須當做強耦合系統，即某一區域的性質受整個迴路的影響。強耦合性加上非線性會產生複雜的現象。這些迴路中儲存著磁能，一旦迴路受到破壞，例如因等離子體不穩定性，這一能量將會以加熱和加速的形式釋放出來。日冕中的加熱現象通常就是以此為解釋的。等離子體電流，特別是磁場對齊的電流，也出現在地球極光和絲狀等離子體中。胞狀結構.等離子體中所形成的高梯度薄片可以分隔開磁化強度、密度、溫度等性質不同的區域，形成胞狀結構，如磁層、太陽圈和太陽圈電流片等。漢尼斯·阿爾文曾寫道：「從宇宙學的觀點來看，太空研究中最重要的新發現莫過於宇宙的胞狀結構。在原位測量方法能夠研究的一切宇宙範圍內，無一不有『胞壁』。這些帶電流的薄片把太空分割成磁化強度、密度、溫度等等性質各異的區域。」臨界電離速度.當等離子體和中性氣體之間達到一定的相對速度時，就會發生失控的電離反應，這一臨界速度稱為臨界電離速度。臨界電離過程可以將快速流動氣體的動能轉化為電離能和等離子體熱能，適用範圍廣泛。臨界現象會產生空間或時間上急劇變化的結構，是複雜系統的一個典型特徵。特殊複合現象.塵埃等離子.塵埃等離子體含有細小的帶電塵粒，通常存在於太空之中。塵粒能積累較高的電荷，並相互影響。實驗室中的塵埃等離子體又稱「複合等離子體」。超低溫等離子體.超低溫等離子體可以透過人為方法取得，首先使用磁光阱將中性原子降溫至1 mK以下，再用另一個鐳射束把僅僅足夠的能量傳給原子的最外層電子，使其脫離原子的束縛。超低溫等離子體的優勢在於，其初始條件能夠很好地設定及調整，包括大小和電子溫度。透過調整用於電離的鐳射的波長，便能控制逃逸電子的動能。這一動能是由鐳射脈衝的頻寬決定的，最低可達0.1 K。電離後產生的離子一開始會保留中性原子原來的溫度，但溫度會因為所謂的亂度加熱效應而迅速升高。此類非平衡超低溫等離子體會快速地演變。不可滲透等離子體.不可滲透等離子體是一種熱等離子體，它對於氣體和冷等離子體的性質如同不可滲透的固體，而且能夠受別的物質推挪。以漢尼斯·阿爾文為首的研究組曾經在1960至1970年代短暫地研究不可滲透等離子體，試圖在核聚變反應中用它來隔開聚變等離子體和反應爐壁。然而他們不久後發現，這種組態下的外部磁場會使等離子體產生所謂的扭折不穩定性，導致熱量過多地向爐壁流失。2013年，一組材料科學家宣稱，他們不用磁約束，只用一層超高壓力低溫氣體，成功地生成穩定的不可滲透等離子體。雖然由於高壓的關係無法透過光譜法取得等離子體的性質，但從等離子體對各種奈米結構合成過程的間接影響可以清晰看出，這種約束方法是有效的。他們還發現，在維持不滲透性幾十秒後，等離子體和氣體的介面會篩選離子，這有可能引起第二種加熱模式。這種模式意味著，反應會有不同的動力學特性，並會產生複雜的奈米材料。數學描述.要完全描述等離子體的狀態，原則上須要寫下所有粒子的位置和速度，並計算出等離子體範圍內的電磁場。不過這種繁複的做法一般是不切實際的，在現實中也不可能測量出每顆粒子的動態。所以，等離子體物理學家通常會運用簡化的模型，這些模型可分為以下兩大類。流體模型.流體模型利用光滑的量來描述等離子體，如密度和某位置周圍的平均速度。簡單的流體模型有磁流體力學，它結合麥克斯韋方程組和納維-斯托克斯方程組，並把等離子體視為遵守這套方程組的單一流體。再推廣一步，有將離子和電子分開描述的雙流體模型。當碰撞頻率足夠高，使等離子體的速度分佈近似麥克斯韋-玻爾茲曼分佈時，流體模型就相對準確。由於流體模型通常把等離子體描述成每個空間位置具有某特定溫度的單一的流，因此無法描述等離子體束或雙層這類速度隨空間改變的結構，以及任何波粒效應。動力學模型.動力學模型描述等離子體中每一點的速度分佈函式，所以無須假設麥克斯韋方程組。在無碰撞等離子體中，往往需要此類模型。動力學模型有兩種：第一種在速度和位置上設下格子，並在格子上表示光滑化的分佈函式；另一種稱為「胞中粒子」方法，它透過追蹤一大群單獨粒子的軌跡來描述動力學狀態。動力學模型的計算密集度一般比流體模型更高。弗拉索夫方程式能夠描述帶電粒子與電磁場發生相互作用的系統的動力學狀態。在磁化等離子體中，陀螺動力學方法可以大大降低一個完全使用動力學模型的模擬的計算密集度。自然中的等離子體及相關現象的例子.等離子體從質量和體積上都是宇宙中最常見的物質相態。大部分來自太空的可見光都源於恆星，而恆星是由等離子體所組成，其溫度所對應的輻射含較強的可見光。更宏觀地來看，宇宙絕大部分普通物質，而是冷暗物質和暗能量。1937年，漢尼斯·阿爾文論證，如果宇宙充斥著等離子體，這些物質就會產生電流，從而產生星系尺度上的磁場。在獲得諾貝爾物理學獎後，他又強調：要了解某個等離子體區域內的各種現象，既要測繪出磁場，又要測繪出電場和電流。太空中佈滿了縱橫交錯的電流網路，能夠在大尺度乃至非常大尺度上傳遞能量和動量。這些電流往往會縮成絲狀或表面電流，後者很有可能會使太空──星際和星系際空間──形成一種胞狀結構。太陽和其他恆星一樣是由等離子體所組成。其最外層稱為日冕，是溫度約為106 K的等離子體，從太陽表面開始向整個太陽系擴張，充斥行星際空間，並止於日球層頂。在日球層頂以外，也充斥著等離子體星際介質。連無法直接觀測的黑洞相信也是透過吸入吸積盤中的等離子體而壯大的，而且和由發光等離子體所組成的相對論性噴流有緊密的聯絡，如延伸5千光年之遙的室女A星系噴流。等離子體中如果有塵粒，淨負電荷會積累在塵粒上，這些塵粒的性質類似於質量很大的陰離子，且可以視為等離子體的一個組成部分。人工等離子體及人為等離子放電.將氣體轉化成等離子體有許多種方法，但生成和維持都需要能量的輸入，環境壓力也需要維持在特定的範圍內。大氣壓力等離子放電.電弧放電.電弧放電是一種高溫、高功率的放電現象，最明顯的例子是閃電。當對介電氣體或其他流體施加電壓，電壓產生的電場會把負電荷拉向陽極，而把正電荷拉向陰極。當電壓不斷增加，電極化會對材料施加應力，直到超過其介電極限。這時發生電擊穿現象，釋放電弧，使絕緣材料電離，變為等離子體。其背後的原理是：初始電離所釋放的電子，在每次撞擊中性原子時，都會再釋放一顆電子，如此類推，迅速產生一連串的連鎖電離反應。當電流密度及物質的電離度達到一定的程度，兩個電極之間就會形成發光的電弧。這是一種空間上連續的放電現象。電弧的連續軌跡上的電阻會產生熱量，進而分解更多的氣體分子，使更多的原子電離傳遞給大質量粒子。電暈放電.電暈放電沿著高壓電極的邊沿形成。應用於臭氧產生器，其產生過程是透過高壓電離將空氣中的部分氧氣分解為氧原子，這些氧原子再和氧分子聚合成臭氧。除塵器是另一例子。高氣壓等離子放電.高壓氣體等離子放電，是指在較高氣壓的初始環境下發生的等離子放電現象。真空等離子放電.在真空環境下，放電現象是不能被肉眼看見。1879年，威廉·克魯克斯在真空管中發現的陰極射線，他稱之為「發光物質」，克魯克斯當時所看見的「發光物質」之所以發光，應該是因為管中殘留的少量氣體粒子與陰極射線的高速電子碰撞所致，發光並不是等離子體現象的基本特性。工商業應用例子.由於等離子體的溫度和密度範圍極廣，所以能應用在許多學術研究、科技及工業範疇中。工業用途有：工業及萃取冶金學、等離子體噴塗等表面處理法、微電子學蝕刻法、金屬切割和焊接等。日常用途有汽車排氣淨化和熒光燈等。另外還有航空航天工程中的超音速燃燒衝壓發動機。標準分類.多數人造等離子體是透過對氣體增加電磁場產生的。實驗室或工業產生的等離子體一般根據以下各項標準分類：學術研究歷史及未來研究方向.威廉·克魯克斯在1879年在他所研製的克魯克斯管中發現等離子體，他稱之為「發光物質」。約瑟夫·湯姆森在1897年研究出克魯克斯管中所含的「陰極射線」物質的真實性質。歐文·朗繆爾在1928年創造了「plasma」一詞，現成為等離子體在歐洲各語言中的名稱，源於希臘文的「πλάσμα」。這樣命名，可能是因為克魯克斯管中的發光體會自行改變成管的形狀。朗繆爾描述道：除了在電極附近有含極少電子的鞘層以外，電離氣體含有大體相同數量的離子和電子，所以整體空間內的電荷很小。這一離子和電子的電荷達到平衡的空間，我們稱之為「plasma」。