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1、等离子体概述课件第1.1节 什么是等离子体固体 冰液体 水气体 水汽等离子体 电离气体温度00C1000C100000Cn1 eV=11600 K两个概念：离解和电离离解：当温度足够高时，构成分子中的原子获得足够大的动能，开始彼此分离，这一过程称为离解电离：温度继续升高，原子的外层电子将摆脱原子核的束缚而称为自由电子，同时，失去电子的原子变成带正电的离子电离气体是一种常见的等离子体放电是使气体转变成等离子体的一种常见人工形式放电是使气体转变成等离子体的一种常见人工形式等离子体等离子体 电离气体电离气体普通气体普通气体等离子体等离子体放电放电需要有足够的电离度的电离气体才具有等离子体性质。“电性
2、”比“中性”更重要 (电离度 10-4)等离子体的概念等离子体是物质存在（固、液、气体）的第四种状态，是由大量带电粒子组成的非束缚状态的宏观体系。注：有的书上也表述成：或正离子和电子的密度大致相等的电离气体维基百科等离子体（等离子体（PlasmaPlasma）是一种由自由电子和带电离子为主要成）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，或者态，被称为等离子态，或者“超气态超气态”，也称，也称“电浆体电浆体”。等离子体具有很高的电导率，与电磁场存在极强的耦合作用。等离子体具有很高的
3、电导率，与电磁场存在极强的耦合作用。等离子体是由克鲁克斯在等离子体是由克鲁克斯在18791879年发现的，年发现的，19281928年美国科学家年美国科学家欧文欧文 朗缪尔和汤克斯（朗缪尔和汤克斯（TonksTonks）首次将）首次将PlasmaPlasma一词引入物理一词引入物理学，用来描述气体放电管里的物质形态学，用来描述气体放电管里的物质形态11，PlasmaPlasma是源自希是源自希腊文，意为可形塑的物体，此字有随着容器形状改变自身形腊文，意为可形塑的物体，此字有随着容器形状改变自身形状之意，如灯管中的等离子体会随着灯管的形状改变自身的状之意，如灯管中的等离子体会随着灯管的形状改变自
4、身的形状。形状。严格来说，等离子体是具有高位能动能的气体团，严格来说，等离子体是具有高位能动能的气体团，等离子体的总带电量仍是中性，借由电场或磁场的高动能将等离子体的总带电量仍是中性，借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。高位能高动能的自由电子。朗缪尔（朗缪尔（朗缪尔（朗缪尔（L.LangmuirL.Langmuir）和汤克斯）和汤克斯）和汤克斯）和汤克斯(L.Tonks)(L.Tonks)首先引入等离子体（首先引入等离子体（首先引入等离子体（首先引入等离子体（PlasmaPlas
5、ma）这个名称。）这个名称。）这个名称。）这个名称。第1.1节什么是等离子体由大量的带电粒子组成的非束缚态的宏观体系由大量的带电粒子组成的非束缚态的宏观体系非束缚性：非束缚性：异类带电粒子之间相互异类带电粒子之间相互“自由自由”，等离子体的基本粒子元是正负荷电的粒子，等离子体的基本粒子元是正负荷电的粒子（电子、离子），而不是其结合体。（电子、离子），而不是其结合体。粒子与电磁场的不可分割性：粒子与电磁场的不可分割性：等离子体中粒等离子体中粒子的运动与电磁场（外场及粒子产生的自洽子的运动与电磁场（外场及粒子产生的自洽场）的运动紧密耦合，不可分割。场）的运动紧密耦合，不可分割。集体效应起主导作用：
6、集体效应起主导作用：等离子体中相互作用等离子体中相互作用的电磁力是长程的。的电磁力是长程的。宇宙中90物质处于等离子体态 人人类类的的生生存存伴伴随随着着水水，水水存存在在的的环环境境是是地地球球文文明明得得以以进进化化、发发展展的的的的热热力力学学环环境境，这这种种环环境境远远离离等等离离子子体体物物态态普普遍遍存存在在的的状状态态。因因而而，天天然然等等离离子子体体就就只只能能存存在在于于远远离离人人群群的的地地方方，以以闪闪电电、极光极光的形式为人们所敬畏、所赞叹。的形式为人们所敬畏、所赞叹。由由地地球球表表面面向向外外，等等离离子子体体是是几几乎乎所所有有可可见见物物质质的的存存在在形
7、形式式，大大气气外外侧侧的的电电离离层层、日日地地空空间间的的太太阳阳风风、太太阳阳日日冕冕、太太阳阳内内部部、星际空间星际空间、星云星云及及星团星团，毫无例外的都是等离子体。，毫无例外的都是等离子体。人类的生存伴随着水，水存在的环境是地球文明得以进化、发展的的热力学环境，这种环境远离等离子体物态普遍存在的状态。因而，天然等离子体就只能存在于远离人群的地方，以闪电、极光的形式为人们所敬畏、所赞叹。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，大气外侧的电离层、日地空间的太阳风、太阳日冕、太阳内部、星际空间、星云及星团，毫无例外的都是等离子体。宇宙中90物质处于等离子体态地地球球上上，人
8、人造造的的等等离离子子体体也也越越来来越越多多地地出出现现在在我我们们的的周围。周围。日日常常生生活活中中：日日光光灯灯、电电弧弧、等等离离子子体体显显示示屏、臭氧发生器屏、臭氧发生器典典型型的的工工业业应应用用：等等离离子子体体刻刻蚀蚀、镀镀膜膜、表表面面改改性性、喷喷涂涂、烧烧结结、冶冶炼炼、加加热热、有有害害物物处理处理高高技技术术应应用用：托托卡卡马马克克、惯惯性性约约束束聚聚变变、氢氢弹弹、高高功功率率微微波波器器件件、离离子子源源、强强流流束束、飞飞行器鞘套与尾迹行器鞘套与尾迹密度(cm-3)温度(度)太阳核心 磁约束聚 变霓虹灯 北极光 火 焰闪电日冕 氢弹星际空间荧光气体液 体
9、固 体人类居住环境惯性聚变星 云太阳风等离子体参数空间等离子体的分类1.按存在分：天然等离子体：太阳、恒星、星云、极光、雷电等人工等离子体：日光灯、霓虹灯、电火花、电弧等2.按电离度分：等离子体：电子(ne)、正离子(离子 ni)、中性粒子（分子、原子、原子团na）,由准电中性：neni定义：电离度=ne/(ne+na)分母为电离前分子的密度=100%完全电离等离子体1%强电离等离子体 人一生所需能源人一生所需能源AA 500 500升海水含升海水含1010克氘克氘BB 无环境污染及长寿命放无环境污染及长寿命放 射性废料射性废料聚变需要亿度高温聚变等离子体劳逊判据（Q1）T10keV（1亿度）
10、nt 3x1020m-3s实现聚变的三种途径聚变等离子体托卡马克装置(JET)聚变等离子体How Fusion Energy is Produced 磁约束聚变研究进展聚变等离子体美国Nova激光聚变装置19851985年建成，年建成，1010路路4500045000焦耳，焦耳，1 1纳秒纳秒2 2倍频倍频/3/3倍频倍频美国国家点火（NIF）激光聚变装置2003年建成,192束180万焦耳，3纳秒500TW，近紫外光激光聚变电站神光II、星光II激光聚变装置总结 等等离离子子体体科科学学涵涵盖盖了了受受控控热热核核聚聚变变、低低温温等等离离子子体体物物理理及及应应用用、国防和高技术应用、天体和空间等离子体物理等分支领域。国防和高技术应用、天体和空间等离子体物理等分支领域。等等离离子子体体科科学学在在能能源源、材材料料、信信息息、环环保保、国国防防、微微电电子子、半半导导体体、航航空空、航航天天、冶冶金金、生生物物医医学学、造造纸纸、化化工工、纺纺织织、通通讯等领域有广泛的应用。讯等领域有广泛的应用。等等离离子子体体研研究究领领域域对对人人类类面面临临的的能能源源、材材料料、信信息息、环环保保等等许许多多全局性问题的解决具有重大意义。全局性问题的解决具有重大意义。