闪电？极光？其实它们一点都不稀罕

我们先来看一个有趣的事情。

它的主体是一个封闭的玻璃球，里面充有某种低压惰性气体，球的中心是一个高压电极通电后，内部气体因高压产生放电火花，形成一条条彩色光，形成球状闪电

当你把手放在球上时，这些彩色闪电会集中在你手的位置上。更有趣的是，它还能点亮附近的日光灯！

闪电这和地球上的闪电有关系吗

是的，不仅是闪电，极光也与之息息相关。

闪电，像一个拥有超能力的王者，只是一瞬间，却让人不寒而栗。

极光看起来很温柔，但它是如此的罕见，除了在那些特定的地方。

但是，它们对应的物质形态是一样的。不仅是它们，扭曲地球磁场的太阳风，

还有那些夜市霓虹灯里的发光物质，都是同一种。

当然也包括第一个有趣的东西，叫做等离子球。

对，都是血浆，就是血浆。

那么，什么是等离子体。

除了固体，液体和气体，物质还有第四种状态，这就是等离子体。

物质之所以从固体变成液体，又从液体变成气体，是由温度升高引起的同样，气体变成等离子体也是由温度升高引起的

伴随着温度的升高，分子，原子和电子的动能增加当温度上升到一定程度时，电子的动能大到无法控制需要自由到分子和原子承受不了，所以我们要让电子走然后部分物质结构崩塌，变成由分子，自由电子和正离子组成的物质形态

从上面的说法可以看出，等离子体其实是一种高温气体只是和普通气体不同，它含有自由电子和正离子

那么有人会问:有电子和正离子的气体算是等离子体吗。

不要！只有当带电粒子的浓度很高时，才能认为是等离子体比如一个常见的问题:火焰是等离子体吗正确答案是:一般来说，火焰只是高温气体，不是等离子体，但如果火焰中带电粒子的浓度很高，那么火焰就是等离子体

可是，等离子体中自由电子的浓度到底有多高。

要回答这个问题，我们得从等离子体的宏观电负性说起。

虽然血浆含有正负电荷，但它通常是电中性的这就决定了等离子体中的电荷必须足够这样才能保证即使某个地方出现电荷集中，也能立即从其他地方调动相反的电荷来平衡，从而保持该地方电中性

电中性等离子体中不可能出现电场其实这也可以用导体的性质来解释:导体总是有足够的自由电荷来屏蔽外场对于等离子体来说，其体内的电子是自由的，所以等离子体是非常好的导体根据导体的静电平衡条件，其中不可能存在电场

因此，宏观电中性是等离子体最重要的特征。

假设一个带正电的物体放在等离子体中由于等离子体是优良的导体，为了保持内部电场为零，必须有足够多的电子在带电体周围运行——就像导体的静电感应一样

但与静电感应不同的是，这些电子不像普通导体的静电平衡那样在一个薄层上，因为热运动太强它们在等离子体中形成的电荷层具有一定的厚度

在该电荷层中，等离子体材料受到电场的影响但是在这个范围之外，电场被屏蔽了，这就是等离子体的屏蔽作用它保护等离子体免受外部电场的影响，并保持其电中性

这个电子层的厚度叫做屏蔽距离德国物理学家德拜指出屏蔽距离是满足的

是等电子温度可以看出，在不同的电子浓度和不同的温度下，屏蔽距离是不同的

这个屏蔽距离有什么用。

显然，如果一种电离气体的空间范围远大于屏蔽距离，那么大多数电离气体都可以有效地保持宏观电中性。

基于此，德拜提出了等离子体的判断条件:尺寸远大于屏蔽距离的电离气体可视为等离子体。

有了这个公式，关于是不是血浆的争论可以休矣！一切以计算结果为准为什么一般蜡烛的火焰不是等离子因为它的带电粒子浓度不够高，屏蔽距离太大，超过了火焰本身的大小

知道了什么是等离子，我们来说说它的一些特性。

让我们先来看看等离子体的温度。

等离子体的温度有一个很高的底部，如聚变反应中的等离子体物质，其温度高达数亿K，低至磁流体发电机中的等离子体物质，其温度通常为几千到几万k，但与日常温度相比，这些都是很高的。

用作霓虹灯的氖或氩等离子体中电子的温度高达20000摄氏度这似乎违背了人生经验:2万度灯还能存在还觉得冷吗为什么

简单来说，因为这个温度只是等离子体中电子的温度，所以阳离子和分子的温度远低于这个！所以灯管内的等离子体并不是很热，正因为如此，含有等离子体的灯管才不会被烧坏。

为什么会有两种温度。

因为电子的质量很小，所以它们和阳离子，分子的碰撞是完全弹性的，就像乒乓球铅球一样它们之间没有能量交换，所以电子无法与整个等离子体达到热平衡

看等离子体和磁场的相互作用。

等离子体是非常好的导体，因为它含有大量的自由电子和阳离子。如上所述，这使得等离子体中没有电场，但磁场可以！

但是磁场要有限制，因为电场为零对磁场有严格的约束，就是磁场不能变！

为什么因为根据电磁感应定律，变化的磁场会产生电场

所以，如果等离子体中没有磁场，就永远没有磁场，如果等离子体中存在磁场，则磁场会一直保持不变这是等离子体中磁场的冻结

你可能会好奇:这种冷冻效果是怎么实现的。

等离子体中有大量的自由电荷一旦等离子体中的磁场发生变化，就会立即产生感应电流根据楞次定律，感应电流的磁场总是抵消原磁场的变化磁场因此被冻结

那么，磁场冻结会发生什么。

众所周知，磁场在空间的分布是用磁感应线来描绘的既然等离子体中的磁场是恒定的，就意味着等离子体中的磁感应线是恒定的！所以当等离子体在磁场中运动时，会伴随着体内那些磁感应线一起运动，如下图所示

当体内没有磁场的等离子体进入磁场时，由于它始终保持内部磁场为零，会挤压磁感应线，如下图所示。

风放出大量带电粒子，也就是等离子体当它们吹向地球时，地球磁场变形在靠近太阳的一侧，地球磁场被压缩，而在远离太阳的一侧，地球磁场延伸数十万公里

其实等离子的特性远不止这些，它涉及的东西太多了正因为如此，20世纪20年代以后，等离子体物理成为一门研究等离子体的形成，性质和运动规律的独立学科

一般来说，等离子体物理有三种研究方法。

首先是研究带电粒子的运动规律，高中物理其实就有涉及——带电粒子在电磁场中的运动。

第二个是磁流体力学，它把等离子体作为一个整体来研究它是一种类似于热力学的宏观理论

三是根据统计方法建立等离子体的微观理论，就像气体动力学理论一样。

这里简单介绍一下磁流体力学方法。

由于等离子体中含有大量的带电粒子，当这些粒子在磁场中运动时，当然会受到磁场的影响，这些影响的总和就是磁场对等离子体的作用。

通常，为了研究等离子体在磁场中的运动规律，人们把等离子体看作一种流体，建立磁流体动力学方程不过因为太复杂，这里就不列举了有兴趣的话可以参考相关资料

一方面，根据质量，动量和能量守恒，分别得到流体的连续性方程，动量方程和绝热方程同时，既然涉及电磁场理论，就要结合麦克斯韦方程组这样就得到磁流体动力学方程

那么，自然界有哪些等离子体呢。

最容易想到的就是地球上空的电离层由于太阳和宇宙射线的辐射，地球上空60公里以上的整个地球大气层处于部分电离或完全电离状态，形成电离区它能折射，反射和散射无线电波，对无线电通信，广播，无线电导航和雷达定位都非常重要

然后就是闪电，因为空气分子电离形成导电性好的等离子体，导致剧烈的放电现象。

至于极光，其实是大规模放电现象当太阳风这种炽热高温的带电粒子流吹向地球时，带电粒子被磁场捕获，与大气分子碰撞产生光发射，形成绚丽的极光现象

除此之外，还有各种人造等离子体。

比如最典型的就是热核聚变中的材料它的温度高达上亿度，所有的物质都被电离，变成等离子体因此，等离子体研究已成为受控热核聚变的关键问题

还有本文开头提到的神奇等离子球，也是利用等离子体物质——放电气体来工作的它起源于尼古拉·特斯拉首先发明的惰性气体放电管，后来被麻省理工学院的学生比尔·帕克改造成现在的形式，所以也被称为特斯拉球

此外，等离子广泛应用于各种照明灯具中，如氖灯中常用的氖气或氩气等离子另外，有些火焰也可以看作等离子体

值得指出的是，还有一种人造物质叫做夸克胶子等离子体科学家利用相对论重离子对撞机制造了这种物质它是一种全新的物质形态，曾经在宇宙诞生后的百万分之几秒内广泛存在

还有什么想想看，宇宙中还有哪里有等离子体物质

当然，太阳系中最大的等离子体是太阳，因为它在不断进行热核聚变反应它的内部温度高达1500万度，所有物质都被电离甚至它喷射出的物质都是等离子体——一种高速带电粒子流，即太阳风

进一步说，宇宙中的恒星不都是太阳吗是的，它们也是由等离子体物质构成的事实上，不仅是恒星，还有那些巨大的星云和大部分星际物质

其实宇宙中99.9%以上的可见质量都是等离子体！

是的，等离子体是我们宇宙中可见物质的主角物质常见的三种状态，固态和气态，其实很少它们只存在于行星和一些星际气体和尘埃中

参考

郑春凯，等离子体物理，北京，北京大学出版社，2009。

张三辉，大学物理—电磁学第3版，北京，清华大学出版社，2008。

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