人类对等离子体的研究最早可以追溯到19世纪30年代的气体放电实验。1928年,科学家Langmuir正式提出"等离子体"这个概念,指的是由大量带电粒子组成的、整体呈现电中性的物质状态。这是除了固态、液态、气态之外的第四种物质形态。到了20世纪70年代末,等离子体研究已经发展成为一个独立的学科领域,主要研究天体等离子体、地球电离层等离子体,以及实验室里人工产生的等离子体。
按照粒子温度的不同,等离子体可以分为高温和低温两大类。高温等离子体主要指的是核聚变等离子体,比如太阳的日冕、磁约束聚变或者惯性约束聚变产生的等离子体。这类等离子体的特点是温度极高、密度很大,通常需要像托卡马克这样的大型设备才能产生。
相比之下,低温等离子体的温度和密度都要低得多。它又可以分为两种:冷等离子体和热等离子体。冷等离子体的特点是整体温度不高,但其中的电子温度可以很高;热等离子体则是所有粒子都处于高温状态,比如我们常见的电弧等离子体、焊接等离子体等。低温等离子体最大的优点是容易产生和控制,通常用简单的气体放电装置就能制造出来。
低温等离子体的应用非常广泛,包括材料处理、燃料转化、制氢、废气处理等。常见的产生方式有以下几种:
第一种是介质阻挡放电。这是1863年Simens等人发现的,通过在电极间加高频高压交流电,让气体被击穿产生等离子体。为了防止电流过大,电极上会覆盖绝缘材料。这种放电会产生大量微小的放电通道,每个通道的寿命只有十亿分之几秒,但在这短短的时间里就能完成激发原子、产生自由基等化学反应。
第二种是电晕放电。这种放电通常发生在针尖或者细丝电极附近,因为这里的电场特别强。当电压足够高时,电极周围的空气会被电离,产生蓝紫色的光晕。电晕放电可以细分为正电晕和负电晕,也可以按电源类型分为直流、交流和脉冲电晕。不同的电极形状会产生不同的放电效果,最常用的是线板和线筒式电极。
第三种是滑动弧放电。这种放电在大气压条件下进行,电弧会在电极间移动,当长度超过临界值就会消失,然后在电极最近处重新产生。这种放电的特点是电流密度大、亮度高、温度高。
最后一种是辉光放电。这是在低压气体中发生的自持放电现象,最早由法拉第发现。辉光放电主要用来制造氖灯和氦氖激光器等器件。
总的来说,等离子体技术在现代工业中扮演着越来越重要的角色。不同的放电方式各有特点,适合不同的应用场景。随着研究的深入,等离子体的应用范围还在不断扩大。