等离子(物质的第四态)
如果温度不断升高,气体将会发生怎样的变化呢?科学家告诉我们,这时构成分子的原子发生分离,形成为独立的原子,如氮分子会分裂成两个氮原子,我们称这种过程为气体中分子的离解。如果再进一步升高温度,原子中的电子就会从原子中剥离出来,成为带正电荷的原子核和带负电荷的电子,这个过程称为原子的电离。电离过程的发生,形成了等离子。
中文名等离子
PDP
普遍存在的状态
广泛
等离子态
将气体加热,当其原子达到几千甚至上万摄氏度时,电子就会被原子被"甩"掉,原子变成只带正电荷的离子。此时,电子和离子带的电荷相反,但数量相等,这种状态称做等离子态。人们常年看到的闪电、流星以及荧光灯点燃时,都是处于等离子态。人类可以利用它放出大量能量产生的高温,切割金属、制造半导体元件、进行特殊的化学反应等‘在茫茫无际的宇宙空间里,等离子态是一种普遍存在的状态。宇宙中大部分发光的星球内部温度和压力都很高,这些星球内部的物质差不多都处于等离子态。只有那些昏暗的行星和分散的星际物质里才可以找到固态、液态和气态的物质。等离子体等离子态,(电浆,英文:Plasma)是一种电离的气体,由于存在电离出来的自由电子和带电离子,等离子体具有很高的电导率,与电磁场存在极强的耦合作用。等离子态在宇宙中广泛存在,常被看作物质的第四态(有人也称之为“超气态”)。等离子体由克鲁克斯在1879年发现,“Plasma”这个词,由朗廖尔在1928年最早采用。等离子体的性质1等离子体是由大量带电粒子组成的非凝聚系统。例如,当气体被加热到足够高的温度,或受到高能带电粒子轰击时,中性气体原子将被电离,空间中形成大量的自由电子和阳离子,但总体上又保持电中性。2实际使用的等离子体则是由大量自由电子、阳离子、阴离子、原子和分子组成的、整体上近似电中性的物质状态。3等离子体状态是物质存在的基本形态之一,与固态,液态和气态并列,称为物质第四态。4等离子体的主要特征是:粒子间存在长城库仑相互作用,等离子体的运动与电磁场的运动紧密耦合,存在极其丰富的集体效应和集体运动模式。和物质的另外三态相比,等离子体可以存在的参数范围异常宽广(其密度,温度以及磁场强度都可以跨越十几个数量级);等离子体的形态和性质受外加电磁场的强烈影响,并存在极其丰富的集体运动模式(如各种电磁波,漂移波,静电波以及非线性的相干结构和湍动);5此外,等离子体对外界条件还十分敏感。所以,等离子体性质的研究强烈的依赖于具体的研究对象。等离子态常被称为“超气态”,它和气体有很多相似之处,比如:没有确定形状和体积,具有流动性,但等离子也有很多独特的性质。[2]
电离
等离子体和普通气体的最大区别是它是一种电离气体。由于存在带负电的自由电子和带正电的离子,有很高的电导率,和电磁场的耦合作用也极强:带电粒子可以同电场耦合,带电粒子流可以和磁场耦合。描述等离子体要用到电动力学,并因此发展起来一门叫做磁流体动力学的理论。
组成粒子和一般气体不同的是,等离子体包含两到三种不同组成粒子:自由电子,带正电的离子和未电离的原子。这使得我们针对不同的组分定义不同的温度:电子温度和离子温度。轻度电离的等离子体,离子温度一般远低于电子温度,称之为“低温等离子体”。高度电离的等离子体,离子温度和电子温度都很高,称为“高温等离子体”。
相比于一般气体,等离子体组成粒子间的相互作用也大很多。
速率分布
一般气体的速率分布满足麦克斯韦分布,但等离子体由于与电场的耦合,可能偏离麦克斯韦分布。
常见的等离子体
等离子体是存在最广泛的一种物态,目前观测到的宇宙物质中,99%都是等离子体。
*人造的等离子体
o荧光灯,霓虹灯灯管中的电离气体
o核聚变实验中的高温电离气体
o电焊时产生的高温电弧
*地球上的等离子体
o火焰(上部的高温部分)
o闪电
o大气层中的电离层
o极光
*宇宙空间中的等离子体
o恒星
o太阳风
o行星际物质
o恒星际物质
o星云
*其它等离子体
应用领域
等离子体的用途非常广泛.从我们的日常生活到工业、农业、环保、军事、宇航、能源、天体等方面,它都有非常重要的应用价值。一个重要的研究是高温等离子体和受控热核聚变反应:如果用物质中最轻的元素,如氢的同位素氘,形成一个摄氏几千万度的高温等离子体,那么,这些原子核会发生核反应.结果会放出巨大的能量,科学家称它为热核聚变反应.氢弹就是这样一个爆炸性的热核聚变反应.但人类希望有一个慢慢放出能量并可以发电的热核聚变反应,建造一个“人造小太阳”,然而,这个目标至今尚未实现。另一个重要应用是一些特殊的化学元素形成一个摄氏几万度的低温等离子体,这时,物质间会发生特殊的化学反应,因此可用来研制新的材料.如在钻头等工具上涂上一层薄薄的钛来提高工具的强度、制造太阳能电池、在飞机的表面上涂一层专门吸收雷达波的材料可躲避雷达的跟踪(即隐形飞机)……这些被称为等离子体薄膜技术。另外,还可用等离子体脱掉烟尘中的硫、用等离子体照射种子来提高农作物的产量、研制大屏幕的等离子体电视机、研制等离子体火箭发动机到火星等遥远的宇宙去旅行……等离子体的应用真是举不胜举。等离子的特点:等离子是一种自发光显示技术,不需要背景光源,因此没有LCD显示器的视角和亮度均匀性问题,而且实现了较高的亮度和对比度。而三基色共用同一个等离子管的设计也使其避免了聚焦和汇聚问题,可以实现非常清晰的图像。与CRT和LCD显示技术相比,等离子的屏幕越大,图像的色深和保真度越高。除了亮度、对比度和可视角度优势外,等离子技术也避免了LCD技术中的响应时间问题,而这些特点正是动态视频显示中至关重要的因素。因此从目前的技术水平看,等离子显示技术在动态视频显示领域的优势更加明显,更加适合作为家庭影院和大屏幕显示终端使用。等离子显示器无扫描线扫描,因此图像清晰稳定无闪烁,不会导致眼睛疲劳。等离子也无X射线辐射。由于这些突出特点,等离子堪称真正意义上的绿色环保显示产品,是替代传统CRT彩电的理想产品。[1]
工作原理
这是一种利用气体放电的显示技术,其工作原理与日光灯很相似。它采用了等离子管作为发光元件,屏幕上每一个等离子管对应一个像素,屏幕以玻璃作为基板,基板间隔一定距离,四周经气密性封接形成一个个放电空间。放电空间内充入氖、氙等混合惰性气体作为工作媒质。
在两块玻璃基板的内侧面上涂有金属氧化物导电薄膜作激励电极。 当向电极上加入电压,放电空间内的混合气体便发生等离子体放电现象。气体等离子体放电产生紫外线,紫外线激发荧光屏,荧光屏发射出可见光,显现出图像。当使用涂有三原色(也称三基色)荧光粉的荧光屏时,紫外线激发荧光屏,荧光屏发出的光则呈红、绿、蓝三原色。当每一原色单元实现256级灰度后再进行混色,便实现彩色显示。等离子体显示器技术按其工作方式可分为电极与气体直接接触的直流型PDP和电极上覆盖介质层的交流型PDP两大类。二十一世纪研究开发的彩色PDP的类型主要有三种:单基板式(又称表面放电式)交流PDP、双式(又称对向放电式)交流PDP和脉冲存储直流PDP。
手术系统
“等离子体”技术,是以特定超低频率100Khz电能激发介质(Nacl)产生等离子体,等离子体中的高速带电粒子直接打断分子键,使蛋白质等组织裂解汽化成H2,O2,CO2,N2和甲烷等低分子量气体。
普通高频500-4000KHz可改变电场下,粒子一方面无法获得足够的加速时间,处于往复的震荡状态;另一方面高频下加剧的分子摩擦会产生较强的热效应,且频率越高产热越多。
但100KHz低频稳定电场下,粒子则会获得更长的加速时间,最终形成带有更大动能的高速带电粒子,直接打断分子键。此外因频率低,较之高频大大降低了分子间的摩擦产热,使切割、消融和止血等过程都在40℃~70℃内完成,从而实现微创效应。
电外科设备经历了“电刀”—“普通射频”—“等离子体射频”,由低向高的发展阶段。
“等离子体”技术用直接的“汽化”工作方式彻底改变了传统“射频”的“热能”工作方式,40℃~70℃的组织汽化替代了传统“切割”、“止血”等过程中上百度高温对组织的灼伤破坏作用,大大降低了手术过程中的创伤。
“等离子体”技术在临床治疗中产生的微创效应正是未来医学发展的趋势。
其他用处
另外,还可用等离子体脱掉烟尘中的硫、用等离子体照射种子来提高农作物的产量、研制大屏幕的等离子体电视机、研制等离子体火箭发动机到火星等遥远的宇宙去旅行……等离子体的应用举不胜举。
还有,等离子在医学手术治疗方面也受到重视。譬如2011年来受大众欢迎的等离子低温消融手术--用来治疗鼻炎,咽炎,打鼾等疾病。等离子低温消融手术的原理是使电极和组织间形成等离子薄层,层中离子被电场加速,并将能量传递给组织,在低温下(40℃―70℃)打开细胞间分子结合键,使靶组织中的细胞分解为碳水化合物和氧化物造成病变组织液化消融,称为等离子(不是热效应),从而达到靶组织体积减容的效果。
其争论点
产生磁场的必备条件是电荷的变化或者电荷的运动,这个是麦克斯韦电磁场理论的最基本的定理,所以如果说等离子自己能够产生磁场影响其他离子的运动,就不需要附加电压点火了,这不相当于能量是无限的,不就是永动机了吗,这就违反了能量守恒定律;
所以等离子的点火的关键步骤还是附加的电场才对,离子在电场的作用下运动就会产生磁场,这正是电磁波的构成;科技加热能够使分子电离化的,因为气体分子加热就会膨胀,而电离的本质从分子的角度出发,就是分子间的离子键断裂,如果是气体分子,要使键断裂必须要给键足够大的力,而这正是气体分子难以解决的问题,因为加热气体,只会使气体分子的运动速度加快,是的气体膨胀,键是不会断裂的,所以需要限制空间,最多能够加热到超临界温度这个正是发电站的瓶颈,而这个温度下根本就不能电离。
参考资料
1.物质等离子体应用受关注·人民网
2.等离子体:神秘的第四种物质存在形态·中国军网