电离能：为什么空气可以成为导体
在正常条件下，空气几乎是完美的电介质。这是因为其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表明：在低电压差下，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——电流开始通过空气流动。原因是电离产生了自由电荷载流子（电子和离子）。 重要的是要注意，火焰不仅作为热源，而且作为电离粒子的供应源，这大大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，电子从原子或分子中分离的过程。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）。
为什么电流停止？
当火焰被移除时，电子和离子重新结合形成中性分子。这停止了电流。为了维持放电，需要持续电离——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的电压的依赖性。气体放电形成机制
当外部电离器作用于气体时，在电极间空间中发生电离。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
在初始阶段，当电极之间的电压较低时，观察到电流对电压的线性依赖（VAC上的A–B段）。在此模式下：- 只有一小部分产生的离子和电子到达电极，
- 大多数带电粒子在到达电极之前重新结合，
- 欧姆定律对气体介质有效，
- 电流与施加的电压成正比。
过渡状态和饱和电流
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电荷载流子在没有重组的情况下到达电极时，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，
- 碰撞期间电子从原子中分离，
- 次级电离器的形成，
- 带电粒子数量的雪崩式增加。
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，这是由于其自身的电荷载流子产生过程：- 二次电子发射——当正离子轰击阴极表面时从阴极表面释放电子，
- 热电子发射——从加热的阴极表面发射电子。
自持放电的分类
辉光放电
特征：- 电流：数十毫安，
- 电压：数十至数百伏特，
- 压力：几分之一毫米汞柱。
- 用于广告和装饰照明的气体放电管，
- 荧光灯，
- 霓虹光源。
电弧放电
特征：- 电流：数十至数百安培，
- 电压：数十伏特，
- 气柱明亮发光。
- 强大的照明系统，
- 电弧焊接和金属切割，
- 熔体电解，
- 工业电炉。
电晕放电
条件：- 大气压，
- 强烈不均匀的电场，
- 尖锐的导体几何形状。
- 类似王冠的微弱发光，
- 特征性的噼啪声，
- 局限于尖锐边缘附近。
- 用于工业气体净化的静电除尘器，
- 高压输电线上的不希望的能量损失。
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而产生的声学效应。
- 电压：10⁸–10⁹ V
- 电流：~10⁵ A
- 持续时间：~10⁻⁶ s
- 通道直径：10–20 cm
等离子体物理学：基本性质和工业应用
在与气态物质进行高能热相互作用期间发生的物理化学过程导致出现一种独特的物质聚集状态，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时，所有材料都会蒸发到气相中，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解离成其组成原子成分，随后通过各种机制途径转化为离子物种：- 热电离通过原子和分子物种在升高温度下的强烈碰撞相互作用表现出来，当与热运动相关的动能超过将电子保持在原子轨道内的结合能时发生。
- 光电离构成在电磁辐射影响下离子和电子物种的形成过程，其中光子能量超过原子成分的电离势。
- 碰撞电离通过电子轰击在气体介质的带电粒子轰击期间发生，代表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——一种基本性质，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
等离子体形成基于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的各种放电过程产生的等离子体状态。该类别包括：
- 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
- 用于治疗干预的医疗等离子体
- 高温等离子体（T > 10⁶ K）以恒星等离子体为例，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量集中。
电离度分类
根据电离原子的比例，等离子体区分为：- 电离度低（< 1%）的部分电离等离子体
- 所有原子物种都被剥夺电子的完全电离等离子体
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际区域，星系际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，典型浓度值范围为每立方厘米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星际等离子体密度从0.055 cm⁻³到0.13 cm⁻³变化，随着距日球层距离的增加而增加。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。电离层包括中性原子和准中性等离子体混合物，带电粒子浓度根据海拔高度和时间因素从10²到10⁵ cm⁻³变化。 太阳风代表源自太阳的连续等离子体流，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率成正比增加。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
带电粒子的增强移动性使等离子体能够与外部电场和磁场进行强烈的相互作用。这种性质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找到广泛应用：- 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太阳近似发射光谱，75%的可见光输出和与常规光源相比大幅减少的紫外线含量。
- 装饰等离子体灯，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5-10 W功率水平下产生壮观的放电。
工业应用
等离子体材料加工包括：- 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
- 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
