性质

  地球的等离子体喷泉。在地球大气和太阳风的相互作用下，氧、氦、氢离子会从南北极地区上空向太空喷射。北极上方暗黄色的是气体向外流失的区域，而绿色的则是北极光，即等离子体返回大气释放能量的区域。

定义

等离子体是由未结合离子所组成的电中性物质，其中阴离子和阳离子的总电荷约等于零。虽然这些离子不相互结合，但这并不意味着它们不受到力的影响：等离子体中的每颗带电粒子都受到其他粒子移动时产生的电磁场的影响。 等离子体的定义有三个重要部分：

等离子体近似 ：带电粒子之间的距离必须足够接近，使得每颗粒子都能够影响许多邻近的粒子，而不是只影响最接近的粒子，从而产生集体性效应。只有当每颗带电粒子的影响范围内都有平均超过一颗带电粒子，等离子体近似才是有效的。这一影响范围称为德拜球，是一个半径为德拜长度的球体空间。德拜球内的粒子数量称为等离子参数，由希腊字母Λ表示。

体积相互作用 ：相对等离子体的整体大小来说，德拜长度必须很短。这意味着相互作用主要在等离子体的体积内部，而不是它的边缘上。若符合这个判据，则等离子体可视为准中性。

等离子体频率 ：电子和电子之间的碰撞频率必须比电子和中性粒子之间的碰撞频率高得多。若满足此条件，则静电效应会比普通气体动力学效应强得多。

参数的范围

等离子体的参数可以在数个数量级之间变化，但在参数上显然不同的等离子体，却有相当类似的性质（参考 等离子体比例 （ 英语 ： plasma scaling ） ），下表只考虑传统带正负电的等离子体，不考虑特殊的夸克-胶子等离子体。 等离子体的各种参数可以有跨越几个数量级的数值范围。不过，有的等离子体虽然在参数上显然不同，但性质却十分相似。以下只考虑普通的原子等离子体，不考虑夸克-胶子等离子体这类奇异现象。

 等离子体参数范围 。纵轴为电子密度，横轴为温度。金属内的自由电子可以视为电子等离子体。

电离度

电离是等离子体存在的必要条件。“等离子体密度”通常指的是“电子密度”，也就是每单位体积中的自由电子数量。电离度指的是等离子体中电子数比正常更多或更少的原子所占的比例，这主要受温度影响。就算气体粒子中只有1%是电离粒子，这一气体也会表现出等离子体的一些特性，例如会受磁场影响、能够导电等等。电离度 α α --> {\displaystyle \alpha } 的明确定义是 α α --> = n i n i + n n {\displaystyle \alpha ={\frac {n_{i}}{n_{i}+n_{n}}}} ，其中 n i {\displaystyle n_{i}} 是离子的数量密度（每单位体积中的数量），而 n n {\displaystyle n_{n}} 是中性原子的数量密度。电子密度 n e {\displaystyle n_{e}} 与电离度的关系是 n e = 〈 〈 --> Z 〉 〉 --> n i {\displaystyle n_{e}=\langle Z\rangle n_{i}} ，其中 〈 〈 --> Z 〉 〉 --> {\displaystyle \langle Z\rangle } 是离子的平均电荷态。

温度

等离子体的温度笼统地来说代表了每颗粒子的平均动能，一般用开尔文或电子伏特来量度。要维持等离子体的电离状态，一般需要较高的温度。萨哈电离方程说明，电子温度与电离能之比决定了等离子体的电离度（密度也有较弱的影响）。在低温下，离子和电子会互相结合，形成结合态，即原子， 等离子态也会因此最终变为气体。

在大多数情况下，等离子体中的电子很接近热平衡，所以电子温度有良好的定义。在紫外线、高能粒子或强电场等的影响下，电子的能量分布和麦克斯韦-玻尔兹曼分布会有较大的偏离，但尽管如此，电子温度仍然具有良好定义。由于质量相差悬殊，所以电子和电子之间比电子和离子或中性原子之间更快地达到热平衡。因此，离子温度和电子温度可以有巨大的差异（通常前者更低）。这种情况在弱电离等离子体中尤为常见，其中的离子一般接近室温。

高温与低温等离子体

等离子体可以根据其电子、离子和中性粒子的相对温度归为两类──高温等离子体和低温等离子体。在高温等离子体中，电子、离子和中性粒子处于同一温度，即热平衡；在低温等离子体中，电子有较高的温度，而离子和中性粒子的温度则比电子低很多，有时甚至接近室温。

完全与非完全电离

等离子体可以根据电离程度分为冷、热两种。热等离子体中的粒子几乎完全电离，而冷等离子体中则只有小部分电离粒子（比如1%）。“冷”、“热”等离子体在不同文献中可能会有不同的含义。就算是在所谓的“冷”等离子体中，电子温度也可以达到几千摄氏度。

等离子体电势

 闪电是地球表面常见的等离子体现象。每次闪电一般在1亿伏特电压下释放出30,000安培，同时放出可见光、无线电波、X光乃至伽马射线。 闪电中的等离子体温度可达到28000 K，电子密度可超过 10 m 。

带电粒子间的空间内的电势称为“等离子体电势”或“空间电势”。不过由于德拜鞘层的缘故，如果往等离子体中插入电极，所测量的电势一般都会比等离子体电势低很多。等离子体是良好的导电体，所以其内部的电场很小。从而有“准中性”这一重要的概念，即：在足够大的范围内，等离子体中的阳离子和阴离子有近乎相同的密度（ n e = 〈 〈 --> Z 〉 〉 --> n i {\displaystyle n_{e}=\langle Z\rangle n_{i}} ）；在德拜长度尺度上，则会有不均匀的电荷分布。在产生双层的特殊情况下，电荷分离的尺度可以是德拜长度的数十倍。

要得出电势和电场的大小，单单靠测量净电荷密度是不足够的。一种常见的做法是假设电子满足玻尔兹曼关系：

对等号两边求导，可得出从密度计算电场的公式：

等离子体也有可能不是准中性的，例如电子束就只含阴离子。非中性等离子体一般密度都非常低，或体积非常小，否则静电力的会使等离子体自相排斥并消散。

在天体物理学所研究的等离子体中，德拜屏蔽会避免电场在大尺度上（超过德拜长度）影响等离子体。但是，等离子体中的带电粒子会产生磁场，并受磁场的影响。这有可能导致高度复杂的现象，例如形成双层──电荷间分离数十个德拜长度。等离子体在外部和内部磁场影响下的动力学现象，是磁流体力学的研究对象。

磁化

当等离子体的自身磁场足以影响带电粒子的运动时，就可称之为“磁化等离子体”。常用的量化条件是，某粒子在与其他粒子碰撞之前，要在磁场内回旋至少一圈，即： ω ω --> c e / v c o l l > 1 {\displaystyle \omega _{\mathrm {ce} }/v_{\mathrm {coll} }>1} ，其中 ω ω --> c e {\displaystyle \omega _{\mathrm {ce} }} 是电子回转频率， v c o l l {\displaystyle v_{\mathrm {coll} }} 是电子碰撞率。一种较常见的情况是，等离子体中的电子是磁化的，阳离子则不是。磁化等离子体不具各向同性：它在平行和垂直于磁场的方向上有不同的性质。虽然等离子体自身的电场很小，但在磁场中运动的等离子体也会产生电场： E = − − --> v × × --> B {\displaystyle \mathbf {E} =-v\times \mathbf {B} } （其中 E {\displaystyle \mathbf {E} } 是电场， v {\displaystyl速度\mathbf {v} } 是速度， B {\displaystyle \mathbf {B} } 是磁场）。这一电场不受德拜鞘层影响。

等离子体和气体的比较

等离子体实质上是电离的气体，但也往往被视为固体、液体和气体以外的第四大物质状态， 并与其他低能量相态分隔开来。虽然它和气体一样没有固定的形状和体积，但是两者间仍有以下若干不同之处。

常见的等离子体

  用于切割钢板的手提式等离子切割机，其中的等离子体是由电弧对喷出的气体加热产生。

更多资料：等离子体天体物理学、星际物质和外层空间#星系际空间

等离子体从质量和体积上都是宇宙中最常见的物质相态。 大部分来自太空的可见光都源于恒星，而恒星是由等离子体所组成，其温度所对应的辐射含较强的可见光。更宏观地来看，宇宙绝大部分普通物质（即重子物质）都位于星系际空间，同样是由等离子体组成，其温度则高得多，主要辐射X-射线。尽管如此，如果纳入普通物质以外所有类型的能量，那么在全宇宙的总能量密度中，就有96%不属于普通物质（进而也不是等离子体），而是冷暗物质和暗能量。

1937年，汉尼斯·阿尔文论证，如果宇宙充斥着等离子体，这些物质就会产生电流，从而产生星系尺度上的磁场。 在获得诺贝尔物理学奖后，他又强调：

太阳和其他恒星一样是由等离子体所组成。 其最外层称为日冕，是温度约为10 K的等离子体，从太阳表面开始向整个太阳系扩张，充斥行星际空间，并止于日球层顶。 在日球层顶以外，也充斥着等离子体星际介质。连无法直接观测的黑洞相信也是通过吸入吸积盘中的等离子体而壮大的， 而且和由发光等离子体所组成的相对论性喷流有紧密的联系， 如延伸5千光年之遥的室女A星系喷流。

等离子体中如果有尘粒，净负电荷会积累在尘粒上，这些尘粒的性质类似于质量很大的阴离子，且可以视为等离子体的一个组成部分。

复杂现象

虽然用以描述等离子体的式子相对简单，但是等离子体的各种现象却是错综复杂的。这种从简单物理模型现不可预见行为的现象，正是复杂系统的特性。此类系统从某种意义上处于有序和无序间的边界上，无法用简单光滑的数学函数或纯粹的随机过程来描述。等离子体结构的特点在于，形状尖锐，在空间上断断续续（即特征间的距离大于特征本身的大小），甚或产生分形。不少现象最早是在实验室中观察到的，之后，天文物理学者又发现其广泛存在于宇宙之中。

成丝

白克兰电流是一种丝弦状结构， 可见于等离子灯、极光、 闪电、 电弧、太阳耀斑、 超新星遗迹等的等离子现象。 弦中的电流密度更高，在磁场的影响下会产生磁绳结构。 标准大气压下的高功率微波分解也会造成丝状结构的形成。

高功率激光脉冲的自我聚焦效应也会产生丝状等离子体。在高功率下，折射率的非线性部分变得重要。因为激光束的中心比外围更亮，所以中心的折射率会比外围更高，使得激光进一步聚焦。亮度峰值（福照度）因此增加，并使激光束产生等离子体。等离子体的折射率低于1，会使激光束发散。在自我聚焦效应和等离子体发散效应之间的相互作用下，等离子体形成丝状，其长度短至微米，长至公里。 这样产生的丝状等离子体的特点是离子密度低，这是由于电离电子有发散的作用。

激波和双层

当激波（移动）或双层（静止）这些薄片结构存在的情况下，等离子体的性质从薄片的一边到另一边可以有急剧的变化（在几个德拜长度以内）。双层之中的局部电荷分离使双层内部有较大的电势差异，但在双层以外不产生任何电场。这可以分隔开双层两边性质不同的等离子体，并使离子和电子加速。

电场和电路

等离子体的准中性意味着，等离子体中的任何电流都必须形成回路。这种回路同样遵守基尔霍夫电路定律，并具有电阻和电感。一般来说，等离子体回路都必须当做强耦合系统，即某一区域的性质受整个回路的影响。强耦合性加上非线性会产生复杂的现象。这些回路中储存着磁能，一旦回路受到破坏，例如因等离子体不稳定性，这一能量将会以加热和加速的形式释放出来。日冕中的加热现象通常就是以此为解释的。等离子体电流，特别是磁场对齐的电流（一般称为白克兰电流），也出现在地球极光和丝状等离子体中。

胞状结构

等离子体中所形成的高梯度薄片可以分隔开磁化强度、密度、温度等性质不同的区域，形成胞状结构，如磁层、太阳圈和太阳圈电流片等。汉尼斯·阿尔文曾写道：“从宇宙学的观点来看，太空研究中最重要的新发现莫过于宇宙的胞状结构。在原位测量方法能够研究的一切宇宙范围内，无一不有‘胞壁’。这些带电流的薄片把太空分割成磁化强度、密度、温度等等性质各异的区域。”

临界电离速度

当等离子体和中性气体之间达到一定的相对速度时，就会发生失控的电离反应，这一临界速度称为临界电离速度。临界电离过程可以将快速流动气体的动能转化为电离能和等离子体热能，适用范围广泛。临界现象会产生空间或时间上急剧变化的结构，是复杂系统的一个典型特征。

超冷等离子体

超冷等离子体的制备过程如下。磁光阱先将中性原子降温至1mK以下，再用另一个激光束把仅仅足够的能量传给原子的最外层电子，使其脱离原子的束缚。超冷等离子体的优势在于，其初始条件能够很好地设定及调整，包括大小和电子温度。通过调整用于电离的激光的波长，便能控制逃逸电子的动能。这一动能是由激光脉冲的带宽决定的，最低可达0.1 K。电离后产生的离子一开始会保留中性原子原来的温度，但温度会因为所谓的乱度加热效应而迅速升高。此类非平衡超冷等离子体会快速地演变，并展现出各种有趣的现象。

非中性等离子体

等离子体的导电性以及电场强度和范围意味着，在足够大的体积内，正负电荷大体相等，是为准中性。当等离子体含有过高的净电荷密度，甚至完全以单种带电粒子组成时，就称为非中性等离子体。电场在这种等离子体中的作用是举足轻重的。例子有：带电粒子束、彭宁离子阱中的电子云以及正子等离子体等等。

尘埃等离子

尘埃等离子体含有细小的带电尘粒，通常存在于太空之中。尘粒能积累较高的电荷，并相互影响。实验室中的尘埃等离子体又称“复杂等离子体”。

不可渗透等离子体

不可渗透等离子体是一种热等离子体，它对于气体和冷等离子体的性质如同不可渗透的固体，而且能够受别的物质推挪。以汉尼斯·阿尔文为首的研究组曾经在1960至1970年代短暂地研究不可渗透等离子体，试图在核聚变反应中用它来隔开聚变等离子体和反应堆壁。 然而他们不久后发现，这种组态下的外部磁场会使等离子体产生所谓的扭折不稳定性，导致热量过多地向炉壁流失。

2013年，一组材料科学家宣称，他们不用磁约束，只用一层超高压力低温气体，成功地生成稳定的不可渗透等离子体。虽然由于高压的关系无法通过光谱法取得等离子体的性质，但从等离子体对各种纳米结构合成过程的间接影响可以清晰看出，这种约束方法是有效的。他们还发现，在维持不渗透性几十秒后，等离子体和气体的界面会筛选离子，这有可能引起第二种加热模式（称为粘性加热）。这种模式意味着，反应会有不同的动力学特性，并会产生复杂的纳米材料。

数学描述

  等离子体中可能出现的磁场对齐白克兰电流，其中有自我束紧的复杂磁场线和电流路径。图中带箭头的线同时代表电流和磁场线，由内之外（即红、蓝、绿）强度降低。

要完全描述等离子体的状态，原则上须要写下所有粒子的位置和速度，并计算出等离子体范围内的电磁场。不过这种繁复的做法一般是不切实际的，在现实中也不可能测量出每颗粒子的动态。所以，等离子体物理学家通常会运用简化的模型，这些模型可分为以下两大类。

流体模型

流体模型利用光滑的量来描述等离子体，如密度和某位置周围的平均速度（参见等离子体参数）。简单的流体模型有磁流体力学，它结合麦克斯韦方程组和纳维-斯托克斯方程组，并把等离子体视为遵守这套方程组的单一流体。再推广一步，有将离子和电子分开描述的双流体模型。当碰撞频率足够高，使等离子体的速度分布近似麦克斯韦-玻尔兹曼分布时，流体模型就相对准确。由于流体模型通常把等离子体描述成每个空间位置具有某特定温度的单一的流，因此无法描述等离子体束或双层这类速度随空间改变的结构，以及任何波粒效应。

动力学模型

动力学模型描述等离子体中每一点的速度分布函数，所以无须假设麦克斯韦方程组。在无碰撞等离子体中，往往需要此类模型。动力学模型有两种：第一种在速度和位置上设下格子，并在格子上表示光滑化的分布函数；另一种称为“胞中粒子”方法，它通过追踪一大群单独粒子的轨迹来描述动力学状态。动力学模型的计算密集度一般比流体模型更高。弗拉索夫方程能够描述带电粒子与电磁场发生相互作用的系统的动力学状态。

在磁化等离子体中，陀螺动力学方法可以大大降低一个完全使用动力学模型的模拟的计算密集度。

人造等离子体

多数人造等离子体是通过对气体增加电磁场产生的。实验室或工业产生的等离子体一般根据以下各项标准分类：

所用的能源类型──直流电、射频源、微波源等等

能源的操作压力──真空（小于10mTorr，1Pa）、中等压力（约1 Torr，100 Pa）、大气压力（760 Torr，100 kPa）

等离子体的电离度──完全电离、部分电离、弱电离

等离子体组成部分的温度关系──热等离子体（ T e = T i = T g a s {\displaystyle T_{e}=T_{i}=T_{gas}} ）、冷等离子体（ T e ≫ ≫ --> T i = T g a s {\displaystyle T_{e}\gg T_{i}=T_{gas}} ）

生成等离子体所用的电极构造

等离子体粒子的磁化强度──完全磁化（离子和电子都受磁场束缚在拉莫轨道上）、部分磁化（只有电子受磁场束缚）、非磁化（磁场太弱，无法把粒子束缚在轨道上，但仍能产生洛伦兹力）

等离子体的制备

  放电管的简化电路图

  用雅各布天梯在空气中产生的等离子体

等离子的制备方法有许多种，但生成和维持都需要能量的输入。 对介电气体或其他流体（绝缘体）施加电压，产生的电场会把负电荷拉向阳极，而把正电荷拉向阴极。 当电压不断增加，电极化会对材料施加应力，直到超过其介电极限。这时发生电击穿现象，释放电弧，使绝缘材料电离，变为导电体。其背后的原理是 汤森德突崩 （ 英语 ： Townsend avalanche ） ：初始电离所释放的电子，在每次撞击中性原子时，都会再释放一颗电子，如此类推，迅速产生一连串的连锁电离反应。

电弧

  电离级联过程。“e−”为电子，“o”为中性原子，“+”为阳离子

  两个电极之间发生的突崩效应。初始的电离会释放一颗电子，而接下来的每一次碰撞都会再释放一颗电子，所以每次碰撞后都会冒出两颗电子。

当电流密度及电离度达到一定的程度，两个电极之间就会形成发光的电弧。这是一种空间上连续的放电现象，类似于闪电 。电弧的连续轨迹上的电阻会产生热量，进而分解更多的气体分子，使更多的原子电离（电离度取决于温度），气体如此逐渐变为热等离子体 。热等离子体处于热平衡，也就是说，电子和质量大的粒子（原子、分子和离子）温度相近。这是因为，在热等离子体形成的时候，电子所接收的电能会因电子数量庞大及流动性强而迅速分散，再通过弹性碰撞（即不丧失任何能量）传递给大质量粒子 。

工业及商业用等离子体

由于等离子体的温度和密度范围极广，所以能应用在许多学术研究、科技及工业范畴中。工业用途有：工业及萃取冶金学、 等离子体喷涂等表面处理法、微电子学蚀刻法、 金属切割 和焊接等。日常用途有汽车排气净化和荧光灯等。 另外还有航空航天工程中的超音速燃烧冲压发动机。

低密度放电

发光放电等离子体：最常见的等离子体之一，通过在两个金属电极间施加直流电或低频无线电波（低于100 kHz）电场产生。荧光灯所含的就是这种等离子体。

容性耦合等离子体：类似于发光放电等离子体，但由高频无线电波电场产生，频率通常为13.56 MHz。两者差异在于，容性耦合等离子体的鞘层强度低很多。广泛应用于集成电路产业，作等离子体蚀刻及等离子增强化学气相沉积。

多级弧等离子体源：能制造低温（约1 eV）高密度等离子体的仪器。

电感耦合等离子体：性质和应用范畴类似于容性耦合等离子体，但产生原理是在容器外绕上线圈，使容器内形成等离子体。

波加热等离子体：一般在无线电波频段，这点类似于电感及容性耦合等离子体。例子有螺旋波等离子体源和电子回旋共振等。

大气压力

电弧：高温、高功率放电现象，可用各种电源产生，常用于冶金过程，如对含Al 2 O 3 的矿物进行冶炼，产生铝。

电晕放电：低温放电现象，在高压电极的尖端形成，常用于臭氧产生器和除尘器。

介质阻挡放电：低温放电现象，在高压的细小间隙内形成，其中有绝缘涂层避免等离子体成为电弧。这种现象在工业中的用途与电晕放电相似，常被人们误称为电晕放电。应用还包括纺织物的幅处理， 有助染料、胶水等物质黏合在纺织物表面上。

电容放电：低温等离子体。产生方法是，一个电极接上无线电波频率电源（13.56 MHz），另一电极接地，两极相距约1 cm。用惰性气体如氦、氩可以使这种放电现象稳定化。

压电直接放电等离子体：低温等离子体，在压电变压器的高压端形成。这种低温等离子体制备方法特别适用于不具备单独高压电源的高效、细小设备。

历史

威廉·克鲁克斯在1879年在他所研制的克鲁克斯管中首次发现等离子体，他称之为“发光物质”。 约瑟夫·汤姆孙在1897年研究出克鲁克斯管中所含的“阴极射线”物质的真实性质。 欧文·朗缪尔在1928年创造了“plasma”一词，现成为等离子体在欧洲各语言中的名称， 源于希腊文的“πλάσμα”（模塑成型之物）。这样命名，可能是因为克鲁克斯管中的发光体会自行改变成管的形状。 朗缪尔描述道：

参见

等离子炬

双极性扩散

等离子体参数

磁流体力学

电场屏蔽

等粒子物理重要著作列表

夸克-胶子等离子体

空间物理学

等离子显示屏

极光

注释

^ 在电压增强的过程中，物质会根据电压和电流间的关系经过若干阶段（饱和、瓦解、发光、过渡、电弧等）。电压在饱和阶段达到峰值，并在其后各阶段中波动；电流则在所有阶段中持续上升。

^ 众多相关文献中，对气体和等离子体间的界线似乎并没有严格的定义。但可以说的是，气体分子在2,000 °C会瓦解成原子，并在3,000 °C电离。“在此状态下，气体在大气压下的黏度接近液体。自由电子的存在使它的导电性较强，达到接近金属的程度。”

^ 反之，冷等离子体不处于热平衡，其电离度较低，温度也非均匀地分布在各类粒子之中。一些大质量粒子可处于较低的温度。

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