电离能：为什么空气可以成为导体

在正常条件下，空气几乎是完美的介电体。这是因为空气的原子和分子是中性的，几乎不含自由电荷。然而，当引入额外能量时，空气可以变得导电。

空气导电性如何出现

用静电计进行的实验显示：在低电压差时，空气不导电。但如果用火焰加热电极之间的间隙，静电计的指针会下降——电流开始流过空气。原因是由电离引起的自由电荷载流子（电子和离子）的出现。

需要注意的是，火焰不仅作为热源，还作为电离粒子的供应者，这些粒子大幅增加了空气的导电性。

什么是电离？

电离是当达到某个阈值能量（称为电离能）时，电子从原子或分子上脱离的过程。在电离气体中，我们观察到：

  • 正离子（向阴极移动），

  • 自由电子，

  • 有时是负离子（当电子附着到分子上时形成）。

在电场的影响下，这些粒子向相反极性的电极移动，形成气体放电。

为什么电流会停止？

当火焰被移除时，电子和离子重新结合形成中性分子。这就停止了电流。要维持放电，需要持续的电离——通过加热、紫外线或X射线辐射。

气体放电的伏安特性：物理原理和实际应用

气体放电基础及其研究

为了在实验室实践中分析气体放电的物理过程，使用带有两个电极的玻璃管。研究的核心焦点是伏安特性(VAC)——气体介质中电流对施加到电极上电压的依赖关系。

气体放电形成机制

当外部电离器作用于气体时，在电极间隙中发生电离。这个过程伴随着相反的现象——离子重新结合成中性原子和分子。

特性的欧姆区域

在初始阶段，当电极间电压较低时，观察到电流对电压的线性依赖关系（VAC上的A-B段）。在这种模式下：

  • 只有少部分产生的离子和电子到达电极，

  • 大部分带电粒子在到达电极之前就重新结合，

  • 欧姆定律对气体介质有效，

  • 电流与施加的电压成正比。

过渡区域和饱和电流

随着电压进一步增加，线性关系被打破（B-C段）。当外部电离器产生的所有载流子都不经重新结合到达电极时，达到饱和电流（C-D段）。在这种状态下，电流保持恒定，不再依赖于电压的增加。

碰撞电离和雪崩过程

当达到临界电压时，自由电子获得足够的动能通过碰撞电离原子。这个过程包括：

  • 电子在电场中的加速，

  • 碰撞过程中电子从原子上脱离，

  • 次级电离器的形成，

  • 带电粒子数量的雪崩式增加。

非自持雪崩放电（D-E段）在外部电离器被移除时停止，此时所有带电粒子都已到达电极。

自持气体放电

发生条件

自持放电可以在没有外部电离器的情况下继续进行，这是由于其自身的载流子产生过程：

  • 二次电子发射——当正离子轰击阴极表面时电子的释放，

  • 热离子发射——从加热的阴极表面发射电子。

这些过程确保自由电子的持续产生，维持放电（E-K段）。

自持放电的分类

辉光放电

特征：

  • 电流：几十毫安，

  • 电压：几十到几百伏，

  • 压力：毫米汞柱的几分之一。

应用：

  • 用于广告和装饰照明的气体放电管，

  • 荧光灯，

  • 霓虹灯光源。

电弧放电

特征：

  • 电流：几十到几百安培，

  • 电压：几十伏，

  • 气体柱的明亮发光。

应用：

  • 强力照明系统，

  • 电弧焊接和金属切割，

  • 熔融物电解，

  • 工业电炉。

历史注记：

1802年，V.V.彼得罗夫教授首次使用大型伏打电池和碳电极产生了电弧。1876年，俄国工程师P.N.雅布洛奇科夫实现了电弧放电在街道照明中的实际应用。

电晕放电

条件：

  • 大气压力，

  • 强烈不均匀的电场，

  • 尖锐的导体几何形状。

主要特征：

  • 类似皇冠的微弱发光，

  • 特征性的噼啪声，

  • 在尖锐边缘附近局部化。

实际重要性：

  • 用于工业气体净化的静电除尘器，

  • 高压电力线上的不良能量损失。

电晕放电的自然表现——圣埃尔莫之火——在雷暴和风暴期间当大气电场强度很高时在尖锐物体上观察到。

火花放电

特征：

  • 高击穿电压，

  • 明亮而强烈的发光，

  • 由于空气压力突然增加产生的声学效应。

自然表现：

闪电是一种大规模的火花放电，参数为：

  • 电压： 10⁸–10⁹ V

  • 电流： ~10⁵ A

  • 持续时间： ~10⁻⁶ s

  • 通道直径： 10–20 cm

闪电的之字形轨迹是由于放电通过电阻最小的空气区域，这些区域是随机分布的。

等离子体物理学：基本性质和工业应用

在与气体物质的高能热相互作用过程中发生的物理化学过程导致了一种独特的物质聚集状态的出现，称为等离子体。

等离子体状态形成的起源

电离机制

当受到足够高的温度作用时，所有材料都会气化进入气相，随后发生增强的热电离过程。这种现象的特征是中性气体分子分解为其组成的原子成分，然后通过各种机制途径转化为离子种类：

热电离通过原子和分子种类在高温下的剧烈碰撞相互作用表现出来，当与热运动相关的动能超过维持电子在原子轨道内的结合能时发生。

光电离构成了在电磁辐射影响下离子和电子种类的形成过程，其中光子能量超过原子成分的电离势。

电子轰击的冲击电离在带电粒子轰击气体介质时发生，代表了在放电现象中起作用的主要机制。

等离子体定义和特征

等离子体构成一个完全或部分电离的气体介质，其中正负电荷载流子的浓度表现出虚拟平衡。这种条件通过平均电荷密度的等价性在数学上表达：ρ+ = |ρ−|。

这种物质状态表现出准中性——一个基本性质，即在足够大的体积内在延长的时间间隔内，聚集的负粒子电荷等于总正电荷。

等离子体分类系统

基于温度的分类

等离子体形态根据特征粒子温度分为两个主要类别：

低温等离子体（T < 10⁵ K）包括通过气体介质中各种放电过程产生的等离子体状态。这一类别包括：

  • 气体放电照明系统和荧光光源中的等离子体

  • 装饰应用和显示器中的等离子体

  • 用于治疗干预的医用等离子体

高温等离子体（T > 10⁶ K）以恒星等离子体为例，其温度达到数千万度。恒星代表维持热核聚变反应的高温等离子体的大规模集中。

电离度分类

根据电离原子的比例，等离子体区分为：

  • 部分电离等离子体，电离度较低（< 1%）

  • 完全电离等离子体，其中所有原子种类都被剥离电子

宇宙等离子体分布

等离子体状态代表整个宇宙中最普遍的物质形式，约占所有可见物质质量的95%。宇宙等离子体渗透星际和星系间区域，星系间浓度平均每立方米一个粒子。

星际介质

星际介质表现出极低的密度，典型浓度值范围从每立方厘米0.1-1000个原子。银河系星际介质中的平均电子浓度约为0.037 cm⁻³。旅行者号航天器数据显示，随着距离日球层距离的增加，星际等离子体密度从0.055 cm⁻³变化到0.13 cm⁻³。

地球等离子体环境

地球的上层大气层——电离层——构成弱电离等离子体。电离是由太阳紫外线和X射线辐射暴露以及高能宇宙射线粒子引起的。电离层由中性原子和准中性等离子体混合物组成，带电粒子浓度根据高度和时间因素从10²到10⁵ cm⁻³变化。

太阳风代表太阳起源的连续等离子体流，以300-1200 km/s的速度从太阳径向传播。在地球轨道附近，太阳风质子密度约为6 cm⁻³，在太阳活动增强期间电子温度达到4×10⁵ K。

等离子体的物理性质

电导率

高电导率代表等离子体的基本特征，归因于自由带电粒子的存在。等离子体电导率与电离原子与总原子数的比例成正比增加。完全电离的等离子体接近超导体级别的电导率。

电磁场相互作用

增强的带电粒子迁移率使等离子体能够与外部电场和磁场发生强烈相互作用。这种性质被用于托卡马克型热核装置中高温等离子体的磁约束。

等离子体的实际应用

照明技术

低温等离子体在当代照明系统中得到广泛应用：

荧光灯利用汞蒸气中的等离子体放电产生紫外线辐射，随后通过荧光粉涂层转换为可见光。

硫等离子体光源提供接近太阳的发射光谱，75%的可见光输出和与传统光源相比大幅减少的紫外线含量。

装饰性等离子体灯，由尼古拉·特斯拉于1894年发明，由包含高频电极的玻璃球组成，在5-10W功率水平下产生壮观的放电。

工业应用

等离子体材料处理包括：

  • 微电子制造中的表面蚀刻和改性

  • 薄膜沉积和表面活化程序

  • 使用高温等离子体射流进行等离子体焊接和金属切割

等离子体化学和净化应用包括：

  • 工业排放处理和废物处理

  • 医疗灭菌和消毒程序

  • 用于净化过程的臭氧生成

能源技术

受控热核聚变代表等离子体在能源生成方面最有前途的应用。启动聚变反应需要超过1亿摄氏度的温度，显著超过太阳核心温度。

现代托卡马克实现了创纪录的等离子体约束参数：WEST设施建立了氢等离子体约束的世界纪录——1337秒（超过22分钟），热功率输出为2 MW。

等离子体推进系统通过在电场中加速电离气体为行星际空间任务提供高比冲。

等离子体的自然表现

大气现象

极光显示通过太阳风带电粒子与上层大气层的相互作用发生。高能等离子体层粒子与大气氧气和氮气碰撞引起原子激发，在110-400公里高度产生特征发光。

闪电代表大气中的瞬时高温等离子体放电，伴随着强烈的发光和声学效应。

恒星等离子体

恒星构成维持氢到氦热核反应的自发光等离子体球。主序星通过约10⁷ K的质子-质子链产生能量，而大质量恒星在超过2×10⁷ K的温度下利用碳-氮-氧循环。

恒星等离子体状态通过重力压缩创造的高压高温条件维持。在这些情况下，几乎所有原子都经历完全电离，形成具有高电离度的理想等离子体。

结论

等离子体作为物质的第四种聚集状态，在宇宙物理过程中发挥着根本作用，同时在现代技术中找到广泛应用。从星际介质到实验室装置，从装饰灯到热核反应堆——等离子体过程决定了众多科学和技术领域的发展。理解等离子体的物理本质为创造环境可持续的能源、推进制造技术和深化对基本宇宙过程的认识开辟了前景。