火与等离子体Word下载.docx

1、更深层上，物质与能量是统一的，可等价的。只是当 代物理学界倾向于将物质统一于能量一一受限的能量。所以火的本质既是同具 光波和热辐射的电磁波，是物质，也是同具光能、热能的能量。电子离开原子核，这个过程就叫做“电离”。这时，物质就变成了由带正 电的原子核和带负电的电子组成的，一团均匀的“浆糊”，人们称它离子浆。 这些离子浆中正负电荷总量相等，因此又叫等离子体。火是物质吗？如果是,是什么物质？火是物质燃烧产生的光和热，是能量的一种。必须有可燃物、燃点、氧化剂并 存才能生火。火就是介于气态、固态、液态以外 的等离子态。火是由等离子体（plasma）状态的物质组成的，plasma是由英国 物理学家Sir

2、 William Crookes 在1879年确定的物质的第四种状态（其它三种是固态、液态、气态）。火有重力吗？答案是有的，因为火在无重力太空舱中的形状是球状的，它的形 状受到重力的影响。初中化学中定义火是物质燃烧过程中产生的发热发光的现象，那么又做如何解 释呢？那是因为初中化学是从宏观现象来解释火，而现代物理在进入研究微观 领域之后更注重从微观粒子角度解释现象。从宏观定义的物质上来说，火是物质，因为从哲学的宏观定义上来说，物质的 状态也是物质，物质和状态并不矛盾。那我告诉你：从物理角度，火是等离子状态的物质；从化学角度，火是燃烧产 生的现象；从哲学角度，火就是物质。当然我知道，也许这个答案你

3、并不满意，你还是会接着问：那么，火究竟是物 质还是状态？呵呵！你提出“火不是物质，为什么又要与其它物质相提并论”？因为你的前就错了 火不是物质。而我们把火与其它物质相提并论是因为人类的老祖先在给火 起这个名字的时候在大脑中并没有像你一样考虑“火是什么”这个问题，而只 是凭着他的认知和感觉将一切他可以看见、听见、感觉的到的东西全部放在一 起“相提并论”！于是，大家都这样“相提并论”着，也就约定俗成了，谁也 不会在看见火，用到火的时候像你、像物理学家、像化学家一样去考虑“火究 竟是不是物质”！等离子体又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正 负电子组成的离子化气体状物质，它是除

4、去固、液、气外，物质存在的第四态。 等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加 速等离子体。等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间，空间物理, 地球物理等科学的进一步发展提新的技术和工艺。看似“神秘”的等离子体，其实是宇宙中一种常见的物质，在太阳、恒星、 闪电中都存在等离子体，它占了整个宇宙的 99%。现在人们已经掌握利用电场和磁场产生来控制等离子体。例如焊工们用高温等离子体焊接金属。等离子体可分为两种：咼温和低温等离子体。现在低温等离子体广泛运用 于多种生产领域。例如：等离子电视，婴儿尿布表面防水涂层，增加啤酒瓶阻 隔性。更重要的是在电脑芯片中的蚀刻运用，让

5、网络时代成为现实。高温等离子体只有在温度足够高时发生的。太阳和恒星不断地发出这种等 离子体，组成了宇宙的99%。低温等离子体是在 常温下发生的等离子体（虽然 电子的温度很高）。低温等离子体体可以被用于氧化、变性等表面处理或者在 有机物和无机物上进行沉淀涂层处理。等离子体是物质的第四态，即电离了的“气体”，它呈现出高度激发的不 稳定态，其中包括离子（具有不同符号和电荷）、电子、原子和分子。其实，人 们对等离子体现象并不生疏。在自然界里，炽热烁烁的火焰、光辉夺目的闪电、 以及绚烂壮丽的极光等都是等离子体作用的结果。对于整个宇宙来讲，几乎 99. 9%以上的物质都是以等离子体态存在的，如恒星和行星际

6、空间等都是由等 离子体组成的。用人工方法，如核聚变、核裂变、辉光放电及各种放电都可产 生等离子体。分子或原子的内部结构主要由电子和原子核组成。 在通常情况下,即上述物质前三种形态，电子与核之间的关系比较固定，即电子以不同的能级 存在于核场的周围，其势能或动能不大。由离子、电子以及未电离的中性粒子的集合组成，整体呈中性的物质状态.普通气体温度升高时，气体粒子的热运动加剧，使粒子之间发生强烈碰撞， 大量原子或分子中的电子被撞掉，当温度高达百万开到 1亿开，所有气体原子全部电离电离出的自由电子总的负电量与正离子总的正电量相等这种高度 电离的、宏观上呈中性的气体叫等离子体.等离子体和普通气体性质不同，

7、普通气体由分子构成，分子之间相互作用 力是短程力，仅当分子碰撞时，分子之间的相互作用力才有明显效果，理论上 用分子运动论描述.在等离子体中，带电粒子之间的库仑力是长程力，库仑力 的作用效果远远超过带电粒子可能发生的局部短程碰撞效果，等离子体中的带 电粒子运动时，能引起正电荷或负电荷局部集中，产生电场；电荷定向运动引 起电流，产生磁场电场和磁场要影响其他带电粒子的运动，并伴随着极强的 热辐射和热传导；等离子体能被磁场约束作回旋运动等等离子体的这些特性 使它区别于普通气体被称为物质的第四态.在宇宙中，等离子体是物质最主要的正常状态宇宙研究、宇宙开发、以 及卫星、宇航、能源等新技术将随着等离子体的研

8、究而进入新时代.低温等离子体Back什么是低温等离子体低温等离子体的产生方法低温等离子体的应用领域什么是低温（冷）等离子体？冰升温至0C会变成水，如继续使温度升至 100C，那么水就会沸腾成为水 蒸气。随着温度的上升，物质的存在状态一般会呈现出固态f液态f气态三种 物态的转化过程，我们把这三种基本形态称为物质的三态。那么对于气态物质， 温度升至几千度时，将会有什么新变化呢 ? 由于物质分子热运动加剧，相互间 的碰撞就会使气体分子产生电离，这样物质就变成由自由运动并相互作用的正 离子和电子组成的混合物（蜡烛的火焰就处于这种状态）。我们把物质的这种 存在状态称为物质的第四态，即等离子体态 （pla

9、sma） 。因为电离过程中正离子 和电子总是成对出现，所以等离子体中正离子和电子的总数大致相等，总体来 看为准电中性。反过来，我们可以把等离子体定义为：正离子和电子的密度大 致相等的电离气体。从刚才提到的微弱的蜡烛火焰，我们可以看到等离子体的存在，而夜空中 的满天星斗又都是高温的完全电离等离子体。据印度天体物理学家沙哈（M - Saha, 1893-1956）的计算，宇宙中的99.9%的物质处于等离子体状态。而我 们居住的地球倒是例外的温度较低的星球。此外，对于自然界中的等离子体， 我们还可以列举太阳、电离层、极光、雷电等。在人工生成等离子体的方法中， 气体放电法比加热的办法更加简便高效，诸如

10、荧光灯、霓虹灯、电弧焊、电晕 放电等等。在自然和人工生成的各种主要类型的等离子体的密度和温度的数值， 其密度为io6 （单位：个/ m）的稀薄星际等离子体到密度为io25的电弧放电等 离子体，跨越近20个数量级。其温度分布范围则从 100K的低温到超高温核聚 89变等离子体的10-10 K （110亿度）。 温度轴的单位eV（electron volt） 是等 离子体领域中常用的温度单位， 1eV=11600K。通常，等离子体中存在电子、正离子和中性粒子 （包括不带电荷的粒子如原 子或分子以及原子团 ） 等三种粒子。 设它们的密度分别为 ne,ni,nn ，由于准电中 性，所以电离前气体分子密

11、度为 nenn。于是，我们定义电离度B =ne/（ne+nn）， 以此来衡量等离子体的电离程度。日冕、核聚变中的高温等离子体的电离度都 是 100%，像这样 B =1 的等离子体称为完全电离等离子体。电离度大于 1%（B 10-2）的称为强电离等离子体，像火焰中的等离子体大部分是中性粒子 （B Ti , TeTrt我们把这样的等离子体称为低温等离子体 （cold plasma）。当然，即使 是在高气压下，低温等离子体也可以通过不产生热效应的短脉冲放电模式如电 晕放电（ corona discharge） 、介质阻挡放电 （Dielectric Barrier Discharge, DBD或滑动

12、电弧放电（Glide Arc Discharge or Plasma Arc） 来生成。大气压下 的辉光放电技术目前也已成为世界各国的研究热点。可产生大气压非平衡态等 离子体的机理尚不清楚，在高气压下等离子体的输运特性的研究也刚刚起步， 现已形成新的研究热点。（To top）低温等离子体的产生方法辉光放电 电晕放电 介质阻挡放电 射频放电 滑动电弧放电 射流放电 大气压辉光放电 次大气压辉光放电辉光放电（Glow Discharge）辉光放电属于低气压放电（low pressure discharge） ，工作压力一般都低于10mbar,其构造是在封闭的容器內放置两个平行的电极板，利用电子将中

13、性 原子和分子激发，当粒子由激发态 （excited state） 降回至基态（ground state） 时会以光的形式释放出能量。电源可以为直流电源也可以是交流电源。每种气 体都有其典型的辉光放电颜色（如下表所示），荧光灯的发光即为辉光放电。因 此，实验时若发现等离子的颜色有误，通常代表气体的纯度有问题，一般为漏 气所至。辉光放电是化学等离子体实验的重要工具，但因其受低气压的限制， 工业应用难于连续化生产且应用成本高昂，而无法广泛应用于工业制造中。目 前的应用范围仅局限于实验室、灯光照明产品和半导体工业等。 （To top）部分气体辉光放电的颜色GasCathode LayerNegati

14、ve GlowPositive Colum nHeredpi nkRed-p inkNe（ neon）yelloworangered-brow nArdark-bluedark-redKr-gree nblue-purpleXeoran ge-gree nwhite-gree nH2thi n-blueN2bluered-yellow02yellow-whiteAir部分气体的辉光放电实例电晕放电（Corona Discharge）气体介质在不均匀电场中的局部自持放电。是最常见的一种气体放电形式。 在曲率半径很大的尖端电极附近，由于局部电场强度超过气体的电离场强，使 气体发生电离和激励，因而出

15、现电晕放电。发生电晕时在电极周围可以看到光 亮，并伴有咝咝声。电晕放电可以是相对稳定的放电形式，也可以是不均匀电 场间隙击穿过程中的早期发展阶段。电晕放电的形成机制因尖端电极的极性不同而有区别，这主要是由于电晕 放电时空间电荷的积累和分布状况不同所造成的。在直流电压作用下，负极性 电晕或正极性电晕均在尖端电极附近聚集起空间电荷。在负极性电晕中，当电 子引起碰撞电离后，电子被驱往远离尖端电极的空间 ，并形成负离子，在靠近电极表面则聚集起正离子。电场继续加强时，正离子被吸进电极，此时出现一脉 冲电晕电流，负离子则扩散到间隙空间。此后又重复开始下一个电离及带电粒 子运动过程。如此循环，以致出现许多脉

16、冲形式的电晕电流，电晕放电可以在 大气压下工作，但需要足够高的电压以增加电晕部位的电场。一般在高压和强 电场的工作条件下，不容易获得稳定的电晕放电，亦容易产生局部的电弧放电 （arc）。为提高稳定性可将反应器做成非对称（asymmetric）的电极形式（如下图 所示）。电晕放电反应器的设计主要参考电源的性质而有所不同，有直流电晕 放电（DC corona）和脉冲式（pulsed corona） 电晕放电。利用电晕放电可以进行 静电除尘、污水处理、空气净化等。地面上的树木等尖端物体在大地电场作用 下的电晕放电是参与大气电平衡的重要环节。海洋表面溅射水滴上出现的电晕 放电可促进海洋中有机物的生成，

17、还可能是地球远古大气中生物前合成氨基酸 的有效放电形式之一。针对不同应用目的研究，电晕放电是具有重要意义的技 术课题。H営盼 迩庐蠢恕CccrocLfflCcESTOffLS）宙蚯，怙唇 口:PtluLb剧 mh Oarrorri电晕放电实例电晕放电情形（To top）介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge, DBD）介质阻挡放电（DBD）是有绝缘介质插入放电空间的一种非平衡态气体放电 又称介质阻挡电晕放电或无声放电。介质阻挡放电能够在高气压和很宽的频率 范围内工作，通常的工作气压为 104106。电源频率可从50Hz至1MHz电极结构的设计形式多种多样。在两个

18、放电电极之间充满某种工作气体，并将其中一个 或两个电极用绝缘介质覆盖,也可以将介质直接悬挂在放电空间或采用颗粒状 的介质填充其中，当两电极间施加足够高的交流电压时，电极间的气体会被击 穿而产生放电，即产生了介质阻挡放电。在实际应用中，管线式的电极结构被 广泛的应用于各种化学反应器中，而平板式电极结构则被广泛的应用于工业中 的高分子和金属薄膜及板材的改性、接枝、表面张力的提高、清洗和亲水改性 中。介质阻挡放电（DBD）常用结构介质阻挡放电通常是由正弦波型 （sinusoidal） 的交流（alternatingcurre nt, AC）高压电源驱动，随着供给电压的升高，系统中反应气体的状态会 经

19、历三个阶段的变化，即会由绝缘状态 （insulation） 逐渐至击穿（breakdown）最后发生放电。当供給的电压比较低时，虽然有些气体会有一些电离和游离扩散， 但因含量太少电流太小，不足以使反应区内的气体出现等离子体反应，此时的 电流为零。随着供给电压的逐渐提高，反应区域中的电子也随之增加，但未达 到反应气体的击穿电压（breakdown voltage; avalanche voltage） 时，两电极 间的电场比较低无法提供电子足够的能量使气体分子进行非弹性碰撞，缺乏非 弹性碰撞的结果导致电子数不能大量增加，因此，反应气体仍然为绝缘状态， 无法产生放电，此时的电流随着电极施加的电压提

20、高而略有增加，但几乎为零。 若继续提高供給电压，当两电极间的电场大到足夠使气体分子进行非弹性碰撞 时，气体将因为离子化的非弹性碰撞而大量增加，当空间中的电子密度高于一 临界值时及帕邢（Paschen）击穿电压时，便产生許多微放电丝（microdischarge） 导通在两极之间，同时系統中可明显观察到发光 （luminous）的現象此时，电流会随着施加的电压提高而迅速增加。在介质阻挡放电中，当击穿电压超过帕邢 （Paschen）击穿电压时，大量随机分布的微放电就会出现在间隙中，这种放电的外观特征远看貌似低气压下的辉 光放电，发出接近兰色的光。近看，则由大量呈现细丝状的细微快脉冲放电构 成。只要

21、电极间的气隙均匀，则放电是均匀、漫散和稳定的。这些微放电是由 大量快脉冲电流细丝组成，而每个电流细丝在放电空间和时间上都是无规则分 布的，放电通道基本为圆柱状，其半径约为 0.10.3mm,放电持续时间极短，约 为10100ns,但电流密度却可高达0.11kA/cm2,每个电流细丝就是一个微放电， 在介质表面上扩散成表面放电，并呈现为明亮的斑点。这些宏观特征会随着电 极间所加的功率、频率和介质的不同而有所改变。如用双介质并施加足够的功 率时，电晕放电会表现出“无丝状”、均匀的兰色放电，看上去像辉光放电但 却不是辉光放电。这种宏观效应可通过透明电极或电极间的气隙直接在实验中 观察到。当然，不同的

22、气体环境其放电的颜色是不同的。虽然介质阻挡放电已被开发和广泛的应用，可对它的理论研究还只是近 20年来的事，而且仅限于对微放电或对整个放电过程某个局部进行较为详尽的讨 论，并没有一种能够适用于各种情况 DBM理论。其原因在于各种 DBM工作 条件大不相同，且放电过程中既有物理过程，又有化学过程，相互影响，从最 终结果很难断定中间发生的具体过程。由于DBD在产生的放电过程中会产生大量的自由基和准分子，如 OH O NO等，它们的化学性质非常活跃，很容易和其它原子、分子或其它自由基发生反 应而形成稳定的原子或分子。因而可利用这些自由基的特性来处理 VOC在环保方面也有很重要的价值。另外，利用 DB

23、D可制成准分子辐射光源，它们能发射窄带辐射，其波长覆盖红外、紫外和可见光等光谱区，且不产生辐射的自吸 收，它是一种高效率、高强度的单色光源。在 DBD电极结构中，采用管线式的电极结构还可制成臭氧 O3发生器。现在人们已越来越重视对 DBD勺研究与应用。net介质阻挡放电（DBD）实例物质介电系数绝缘强度（kV/mm）Vacuum1.00000Infinity1.000540.8Amber2.790Bakelite4.812Fused Quartz3.88Neopre ne6.9Nylon3.414Paper3.5Polyethyle ne2.350Polystyre ne2.625Porcel

24、ain6.54Pyranol Oil4.5Pyrex Glass13Ruby Mica5.4160Silico ne Oil2.515Strontium Titanate233Teflon2.160Titanium Dioxide1006Water （20 C）80.4Water （25 C）78.5常见物质的介电系数和绝缘强度（To top）射频低温等离子体放电（Radio Frequency Plasma Discharge）射频低温等离子体是利用高频高压使电极周围的空气电离而产生的低温等 离子体。由于射频低温等离子的放电能量高、放电的范围大，现在已经被应用 于材料的表面处理和有毒废物清除

25、和裂解中。射频等离子可以产生线形放电， 也可以产生喷射形放电（To top）射频单电极低温等离子放电 射频低温等离子喷枪滑动电弧放电（Glide Arc Discharge or Plasma Arc） 产生低温等离子体滑动电弧放电等离子体通常应用于材料的表面处理和有毒废物清除和裂 解。下图中的滑动电弧由一对像图中所示的延伸弧形电极构成。电源在两电极 上施加高压引起电极间流动的气体在电极最窄部分电击穿。一旦击穿发生电源 就以中等电压提供足以产生强力电弧的大电流，电弧在电极的半椭圆形表面上 向右膨胀，不断伸长直到不能维持为止。电弧熄灭后重新起弧，周而复始。其 视觉观看滑动电弧放电等离子体就像火焰

26、一般，但其平均温度却比较低即使将 餐巾纸放在等离子体焰上也不会燃烧。它又被称为“索梯” （Jacogs Ladder）滑动电弧放电产生的低温等离子体为脉冲喷射，但可以得到比较宽的喷射式低 温等离子体炬（plasma torch）。滑动电弧放电原理滑动电弧放电实例射流低温等离子放电（Jet Discharge）几十年来，等离子体炬（plasma torch ）的个工业应用已经众所周知，例如， 氩弧焊、空气等离子体切割机和等离子体喷涂等。这些设备中的核心部件通常 称为等离子体炬，其等离子体中心温度达数千度，是 热等离子体。近年来，人们为了进行有机材料，例如橡胶表面进行处理，以改善表面附着力， 将等

27、离子体炬的技术低温化和小型化，将热弧变为冷弧研制成射流低温等 离子表面处理设备，喷枪出口温度仅数XX，甚至更低，并且已经开始向家用 电器和汽车工业推广应用。有些高技术公司，例如中国的 CORONAL.将这种技术产品化，可以用于高速在线处理。1.大气射流低温等离子表面处理的原理流经冷弧等离子体射流枪的空气气流可以产生包括大量的氧原子在内的氧基活 性物质，氧基等离子体照射材料表面，可以使附着于材料表面上的有机污染物 C元素的分子分离，并变成二氧化碳后被清除；同时可以提高接触性能，从而 可以提高接合强度和可靠性。2.大气射流低温等离子表面处理的工业应用a）不锈钢薄板对焊处的焊前处理不锈钢薄板对焊在工业中应用很普遍，例如太阳能热水器的内桶就是用 0.4mm的不锈钢薄板卷成圆筒对焊制成。为了达到焊接要求，必须对