电浆体 _生活百科

电浆体【电浆体】电浆体（Plasma)，又叫做电浆，是除去固、液、气外，物质存在的第四态，是由原子被电离后产生的正负离子形成的物质状态。它广泛存在于宇宙中。在通常情况下，前三种形态，电子与原子核之间的关係比较固定，即电子以不同的能级存在于核的周围，其势能或动能不大。
基本介绍中文名：电浆体
外文名：Plasma
又叫：电浆
分类：高温和低温电浆
基本概述据印度天体物理学家沙哈(M·Saha，1893-1956)的计算，宇宙中的99.9%的物质处于等离子状态。低温电浆广泛运用于多种领域。例如：等离子电视。高温电浆只有在温度足够高时发生的。炽热的火焰、夺目的闪电等。电浆和普通气体性质不同，普通气体由分子构成，分子之间相互作用力是短程力，仅当分子碰撞时，分子之间的相互作用力才有明显效果，理论上用分子运动论描述。在电浆中，带电粒子之间的库侖力是长程力，库侖力的作用效果远远超过带电粒子可能发生的局部短程碰撞效果，电浆中的带电粒子运动时，能引起正电荷或负电荷局部集中，产生电场；电荷定向运动引起电流，产生磁场．电场和磁场要影响其他带电粒子的运动，并伴随着极强的热辐射和热传导；电浆能被磁场约束作迴旋运动等．电浆的这些特性使它区别于普通气体被称为物质的第四态。地球上空的电离层也是电浆，它会影响无线电波的传播，微波的电离层反射效应就源于此。Plasma，在中国台湾译作电浆体，在中国大陆译作电浆。电浆等离子体(plasma)又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质，尺度大于德拜长度的巨观电中性电离气体，其运动主要受电磁力支配，并表现出显着的集体行为。它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。电浆是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速电浆。电浆物理的发展为材料、能源、信息、环境空间、空间物理、地球物理等科学的进一步发展提供了新的技术和工艺。电浆是不同于固体、液体和气体的物质第四态。物质由分子构成，分子由原子构成，原子由带正电的原子核和围绕它的、带负电的电子构成。当被加热到足够高的温度或其他原因，外层电子摆脱原子核的束缚成为自由电子，就像下课后的学生跑到操场上随意玩耍一样。电子离开原子核，这个过程就叫做“电离” 。这时，物质就变成了由带正电的原子核和带负电的电子组成的、一团均匀的“浆糊”，因此人们戏称它为离子浆，这些离子浆中正负电荷总量相等，因此它是近似电中性的，所以就叫电浆。构成看似“神秘”的电浆，其实是宇宙中一种常见的物质，在太阳、恆星、闪电中都存在电浆，它占了整个宇宙的99% 。21世纪人们已经掌握和利用电场和磁场产生来控制电浆。最常见的电浆是高温电离气体，如电弧、霓虹灯和日光灯中的发光气体，又如闪电、极光等。金属中的电子气和半导体中的载流子以及电解质溶液也可以看作是电浆。在地球上，电浆物质远比固体、液体、气体物质少。在宇宙中，电浆是物质存在的主要形式，占宇宙中物质总量的99%以上，如恆星(包括太阳)、星际物质以及地球周围的电离层等，都是电浆。为了研究电浆的产生和性质以阐明自然界电浆的运动规律并利用它为人类服务，在天体物理、空间物理、特别是核聚变研究的推动下，近三、四十年来形成了磁流体力学和电浆动力学。电浆由离子、电子以及未电离的中性粒子的集合组成，整体呈中性的物质状态。电浆可分为两种：高温和低温电浆。电浆温度分别用电子温度和离子温度表示，两者相等称为高温电浆；不相等则称低温电浆。低温电浆广泛运用于多种电浆发生器生产领域。例如：等离子电视，婴儿尿布表面防水涂层，增加啤酒瓶阻隔性。更重要的是在电脑晶片中的时刻运用，让网路时代成为现实。高温电浆只有在温度足够高时发生的。恆星不断地发出这种电浆，组成了宇宙的99% 。低温电浆是在常温下发生的电浆（虽然电子的温度很高）。低温电浆可以被用于氧化、变性等表面处理或者在有机物和无机物上进行沉澱涂层处理。电浆（Plasma）是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态，广泛存在于宇宙中，常被视为是物质的第四态，被称为等离子态，或者“超气态”，也称“电浆体” 。电浆具有很高的电导率，与电磁场存在极强的耦合作用。电浆是由克鲁克斯在1879年发现的，1928年美国科学家欧文·朗缪尔和汤克斯（Tonks）首次将“电浆”（plasma）一词引入物理学，用来描述气体放电管里的物质形态[1] 。严格来说，电浆是具有高位能动能的气体团，电浆的总带电量仍是中性，藉由电场或磁场的高动能将外层的电子击出，结果电子已不再被束缚于原子核，而成为高位能高动能的自由电子。电浆是物质的第四态，即电离了的“气体”，它呈现出高度激发的不稳定态，其中包括离子(具有不同符号和电荷)、电子、原子和分子。其实，人们对电浆现象并不生疏。在自然界里，炽热烁烁的火焰、光辉夺目的闪电、以及绚烂壮丽的极光等都是电浆作用的结果。对于整个宇宙来讲，几乎99．9%以上的物质都是以电浆态存在的，如恆星和行星际空间等都是由电浆组成的。用人工方法，如核聚变、核裂变、辉光放电及各种放电都可产生电浆。分子或原子的内部结构主要由电子和原子核组成。在通常情况下，即上述物质前三种形态，电子与核之间的关係比较固定，即电子以不同的能级存在于核场的周围，其势能或动能不大。普通气体温度升高时，气体粒子的热运动加剧，使粒子之间发生强烈碰撞，大量原子或分子中的电子被撞掉，当温度高达百万开到1亿开，所有气体原子全部电离。电离出的自由电子总的负电量与正离子总的正电量相等。这种高度电离的、巨观上呈中性的气体叫电浆。电浆和普通气体性质不同，普通气体由分子构成，分子之间相互作用力是短程力，仅当分子碰撞时，分子之间的相互作用力才有明显效果，理论上用分子运动论描述。在电浆中，带电粒子之间的库侖力是长程力，库侖力的作用效果远远超过带电粒子可能发生的局部短程碰撞效果，电浆中的带电粒子运动时，能引起正电荷或负电荷局部集中，产生电场；电荷定向运动引起电流，产生磁场。电场和磁场要影响其他带电粒子的运动，并伴随着极强的热辐射和热传导；电浆能被磁场约束作迴旋运动等。电浆的这些特性使它区别于普通气体被称为物质的第四态。在宇宙中，电浆是物质最主要的正常状态。宇宙研究、宇宙开发、以及卫星、宇航、[1]能源等新技术将随着电浆的研究而进入新时代。[2]发展史19世纪以来对气体放电的研究;19世纪中叶开始天体物理学及20世纪对空间物理学的研究；1950年前后开始对受控热核聚变的研究；以及低温电浆技术套用的研究，从四个方面推动了这门学科的发展。19世纪30年代英国的M.法拉第以及其后的J.J.汤姆孙、J.S.E.汤森德等人相继研究气体放电现象，这实际上是电浆实验研究的起步时期。1879年英国的W.克鲁克斯採用“物质第四态”这个名词来描述气体放电管中的电离气体。美国的I.朗缪尔在1928年首先引入电浆这个名词，电浆物理学才正式问世。1929年美国的L.汤克斯和朗缪尔指出了电浆中电子密度的疏密波（即朗缪尔波）。对空间电浆的探索，也在20世纪初开始。1902年英国的O.亥维赛等为了解释无线电波可以远距离传播的现象，推测地球上空存在着能反射电磁波的电离层。这个假说为英国的E.V.阿普顿用实验证实。英国的D.R.哈特里(1931)和阿普顿(1932)提出了电离层的折射率公式，并得到磁化电浆的色散方程。1941年英国的S.查普曼和V.C.A.费拉罗认为太阳会发射出高速带电粒子流，粒子流会把地磁场包围，并使它受压缩而变形。从20世纪30年代起，磁流体力学及电浆动力论逐步形成。电浆的速度分布函式服从福克－普朗克方程。苏联的Л.Д.朗道在1936年给出方程中由于电浆中的粒子碰撞而造成的碰撞项的碰撞积分形式。1938年苏联的A.A.符拉索夫提出了符拉索夫方程，即弃去碰撞项的无碰撞方程。朗道碰撞积分和符拉索夫方程的提出，标誌着动力论的发端。1942年瑞典的H.阿尔文指出，当理想导电流体处在磁场中，会产生沿磁力线传播的横波(即阿尔文波) 。印度的S.钱德拉塞卡在1942年提出用试探粒子模型来研究弛豫过程。1946年朗道证明当朗缪尔波传播时，共振电子会吸收波的能量造成波衰减，这称为朗道阻尼。朗道的这个理论，开创了电浆中波和粒子相互作用和微观不稳定性这些新的研究领域。从1935年延续至1952年，苏联的H.H.博戈留博夫、英国的M.玻恩等从刘维定理出发，得到了不封闭的方程组系列，名为BBGKY链。由它可导出符拉索夫方程等,这给电浆动力论奠定了理论基础。1950年以后，因为英、美、苏等国开始大力研究受控热核反应，促使电浆物理蓬勃发展。热核反应的概念最早出现于1929年，当时英国的阿特金森和奥地利的豪特曼斯提出构想，太阳内部氢元素的核之间的热核反应所释放的能量是太阳能的来源，这是天然的自控热核反应。1957年英国的J.D.劳孙提出受控热核反应实现能量增益的条件，即劳孙判据。50年代以来已建成了一批受控聚变的实验装置，如美国的仿星器和磁镜以及苏联的托卡马克，这三种是磁约束热核聚变实验装置。60年代后又建立一批惯性约束聚变实验装置。环状磁约束电浆的平衡问题由苏联的V.D.沙弗拉诺夫等解决。美国的M.克鲁斯卡和沙弗拉诺夫导出了最重要的一种电浆不稳定性，即扭曲不稳定性的判据。1958年美国的I.B.伯恩斯坦等提出分析巨观不稳定性的能量原理。处在环状磁场中的电浆的输运係数首先由联邦德国的D.普菲尔施等作了研究(1962)，他们给出在密度较大区的扩散係数，苏联的A.A.加列耶夫等给出了密度较小区的扩散系散(1967)，这一理论适用于托卡马克这类环状磁约束电浆中的输运过程被命名为新经典理论。自从苏联在1957年发射了第一颗人造卫星以后，很多国家陆续发射了科学卫星和空间实验室，获得很多观测和实验数据，这极大地推动天体和空间电浆物理学的发展。1959年美国的J.A.范艾伦预言地球上空存在着强辐射带，这一预言为日后的实验证实，即称为范艾伦带。1958年美国的E.N.帕克提出了太阳风模型。1974年美国的D.A.格内特根据卫星资料，认证出地球是一颗辐射星体，为长波辐射和热红外辐射[3] 。地球辐射的辐射源是地球，其波长範围约为4～120微米，为长波辐射[3] 。辐射能量的99%集中在3微米以上的波长範围内[3] 。地球辐射的最强波长约为9．7微米[3] 。在此期间，一些低温电浆技术也在以往气体放电和电弧技术的基础上，进一步得到套用与推广，如电浆切割、焊接、喷镀、磁流体发电，电浆化工，电浆冶金，以及火箭的离子推进等，都推动了对非完全电离的低温电浆性质的研究。经过30年的发展，电浆所在高温电浆物理实验及核聚变工程技术研究方面中国科学院电浆物理研究所处于国际先进水平，形成了广泛的国际交流与合作，与欧、美、日、俄、澳等近三十个国家和地区建立了稳定合作交流关係，开展多个国际合作项目，成为“第三世界科学院开放实验室”和“世界实验室聚变研究中心”，是国际受控热核聚变计画ITER中国工作组的重要单位之一。离子效应电离层由大气的球面组成，其中带有已经被太阳辐射而电离的离子，这就是电浆区，形成不同离子密度的层D、E、F1、F2 。在太空飞行器重返大气时，由于摩擦产生的高温在器表面形成了很浓密的电浆，这些电子密度足够高时，会致使电浆频率非常高（一般为8MHz），因此地面和太空飞行器的通信被阻断，直到它的速度降下来才恢复通信。主要套用当光打在金属表面时，二维光或是电浆就会被激发。电浆可以被看作是光子和电子的连线。可以建立一个混合原则，由光转变成的电浆在金属表面传播时（该电浆的波长比原始光波的波长小的多）；电浆能被二维光学仪器（镜子、波导、透镜等）处理，电浆能再次转变成光或者电信号。电浆感测器和癌症治疗仪：NaomiHalas描述了电浆怎样激发小金属层表面的，米粒形状的粒子能量很大，做光谱学试验的光是微分子数量级。电浆在米粒状粒子弯曲顶端处电浆电场比用来激发电浆的电场强很多，并且它在很大程度上改进了光谱的速率和精确性。换一种说法，纳米数量级的电浆不仅可以用来鉴定，还可以用来杀死癌细胞。电浆显微镜：IgorSmolyaninov报导称他和他的同事能够拍下来空间解析度在60nm的物体（如果是实用材料，解析度能达到30nm），而用雷射激发只能达到515nm 。换句话说，用这种解析度製造的显微镜会比平常使用的衍射方法好的多；而且，这更是远场显微镜――光源不用放在少于光波长的範围内。巨大光极化和光传输：GennadyShvets报导当表面的声子被光激发来製造超稜镜（用平板材料透镜化）显微镜是红外线光显微镜波长的二十分之一。他和他的同事能拍下样品表面下的特徵，他们称为“巨大的光传输”，照射到表面的光比一般光的波长小的多。光频率的未来电浆电路：NaderEngheta支持电浆激发的纳米粒子能够被设计成纳米数量级的电容，电阻，和感应器（电路中的各种元素）。电路能够接收广播（1010Hz）或者是微波（1012Hz）的频率，而该电路却能达到光频率（1015Hz）。这就能实现小型化以及用纳米天线探测光信号的过程，纳米波导，纳米感测器，并且还有可能实现纳米计算机，纳米存储，纳米信号和光分子接口。电浆主要用于以下3方面。①电浆冶炼：用于冶炼用普通方法难于冶炼的材料，例如高熔点的锆(Zr)、钛(Ti)、钽(Ta)、铌(Nb)、钒(V)、钨(W)等金属；还用于简化工艺过程，例如直接从ZrCl、MoS、TaO和TiCl中分别电浆获得Zr、Mo、Ta和Ti；用电浆熔化快速固化法可开发硬的高熔点粉末，如碳化钨-钴、Mo-Co、Mo-Ti-Zr-C等粉末电浆冶炼的优点是产品成分及微结构的一致性好，可免除容器材料的污染。②电浆喷涂：许多设备的部件应能耐磨耐腐蚀、抗高温，为此需要在其表面喷涂一层具有特殊性能的材料。用电浆沉积快速固化法可将特种材料粉末喷入热电浆中熔化，并喷涂到基体（部件）上，使之迅速冷却、固化，形成接近网状结构的表层，这可大大提高喷涂质量。③电浆焊接：可用以焊接钢、合金钢；铝、铜、钛等及其合金。特点是焊缝平整，可以再加工没有氧化物杂质,焊接速度快。用于切割钢、铝及其合金，切割厚度大。