闪电？极光？其实它们一点都不稀罕

先来看一个好玩的东西。

它的主体是一个密闭的玻璃球，里面装了某种低压的惰性气体，球中央是一个高压电极。通电后，内部气体因为高压而产生放电火花，形成一条条有颜色的光线，形成一个“球状闪电”。

当你将手放在球上时，这些彩色的闪电会往手的位置集中。更有趣的是，它还能让靠近的荧光灯亮起来！

闪电？难道这与地球上的闪电有关吗？

没错，不光是闪电，极光也与之关系密切。

闪电，就像拥有超级力量的王者一样，虽只那么一瞬间，却已让人不寒而栗。

而极光看起来虽较为平缓温和，但却又如此难得，除非在那些特定的地方。

然而，它们所对应的物质形态相同。不光它们，那将地球磁场吹得变形的太阳风，

还有那些夜市的霓虹灯中的发光物质，也皆与之同类。

当然还包含最前面那个好玩的东西，它叫“等离子体球”。

是的，它们都是等离子体，即 Plasma。

那么，什么是等离子体呢？

物质除了固体、液体和气体之外，还有第四态，它就是等离子体。

物质之所以从固体变为液体，由液体变为气体，是由温度升高导致的。同样，气体到等离子体也是由温度升高所导致的。

随着温度升高，分子、原子和电子的动能增大。当温度升高到一定程度时，电子的动能大到失去控制，它要自由，分子和原子都扛不住了，只好让电子离去。于是部分物质结构坍塌，变成由分子、自由电子和正离子构成的物质形态。

从上述说法中，可以看到，等离子体实际上也是一种高温气体。只是与一般的气体不同的是，它包含自由电子和正离子。

那么有人就会问：是不是只要拥有电子和正离子的气体就算等离子体呢？

非也！只有当所含的带电粒子的浓度较高时，才算是等离子体。例如一个常见的问题：火焰是不是等离子体？正确的回答是：一般的火焰是只一种高温气体，不是等离子体，但若火焰中的带电粒子浓度较高时，火焰就是等离子体。

不过，到底含自由电子浓度多高才算是等离子体？

要回答这个问题，得从等离子体的宏观电中性说起。

等离子体虽然包含正负电荷，但总体上是电中性的。这一点决定了，等离子体内的电荷必须足够多。因为只有这样，才可以保证任何地方即使出现了电荷的集中，马上可以从别处调集相反电荷过来平衡，以使该处保持为电中性。

处于电中性的等离子体内部不可能出现电场。其实这一点也可以从导体的性质来说明：导体总是具有足够的自由电荷以屏蔽外场。而对等离子来说，它体内的电子就是自由的，因此等离子体是非常优良的导体。根据导体的静电平衡条件，其内部不可能出现电场。

所以，具有宏观电中性是等离子体最重要的特征。

假设在等离子体内放置一个带正电的带电体，既然等离子体是优良的导体，为了维持内部电场为零，必然有足够多的电子跑过来围在带电体周围 —— 就像导体的静电感应一样。

但与静电感应不同的是，由于热运动过于强烈，这些电子并不是像普通的导体的静电平衡那样处在薄薄的一层上，它们在等离子体内形成的电荷层是有一定的厚度的。

在这个电荷层内，等离子体物质受到电场的影响。但在此范围之外，电场被屏蔽了，这就是等离子体的屏蔽作用，它使等离子体免受外电场的影响，电中性得以维持。

这个电子层的厚度叫屏蔽距离。德国的物理学家德拜指出，屏蔽距离满足

式中  为电子数密度，  为等电子的温度。 可以看到，不同的电子浓度和不同的温度下，屏蔽距离是不同的。

这个屏蔽距离有何用呢？

很显然，若某被电离的气体的空间范围远比屏蔽距离大，那么大部分电离气体能有效的维持宏观的电中性。

基于这一点，德拜提出等离子体的判定条件：尺寸远大于屏蔽距离的电离气体可以看作是等离子体。

有了这个公式，关于是否是等离子的争论可以休矣！一切以计算结果为准。为什么一般蜡烛的火焰不是等离子体？因为它的带电粒子的浓度不够高，所以屏蔽距离太大，超过了火焰本身的尺寸。

知道了什么是等离子体，再来聊聊它的一些特点。

首先来看等离子体的温度。

等离子体的温度有高有底，高的如聚变反应中的等离子体物质，它的温度高达上亿 K；低的如磁流体发电机中的等离子体物质，它的温度通常在几千到几万 K。不过比起日常温度来说，这些都是很高的。

用作霓虹灯的氖或氩的等离子体中电子的温度高达 2 万摄氏度。这一点似乎违反生活经验：两万度？灯管还能存在，并且摸起来还是冷的？为什么呢？

简单的说，因为这个温度只是等离子体中电子的温度，阳离子和分子的温度比这个低多了！所以灯管内的等离子体并不是很“热”，正因为这样，那装着等离子体的灯管才不会被烧坏。

为什么会有两个温度？

因为电子的质量很小，它与阳离子和分子之间的碰撞就像是乒乓球碰铅球一样，是完全弹性的，彼此之间没有能量交换，因此电子不能与整个等离子体达到热平衡。

再来看等离子体与磁场的相互作用。

因为含有大量的自由电子和阳离子，等离子体是非常优良的导体。按前面所讲，这使得等离子体内部没有电场，但磁场可以有啊！

然而，磁场要受到限制，因为“电场为零”这一点对磁场产生了一种严格的约束，那就是：磁场不能变！

为什么呢？因为根据电磁感应的规律，变化的磁场会产生电场，既然不允许电场存在，那只有让磁场保持不变了！

因此，等离子体内如果没有磁场，那就一直没有磁场；若等离子体内有磁场，那就一直维持同样的磁场。这就是等离子体内的磁场冻结。

你可能会感到奇怪：这种冻结的效果是如何达到的呢？

等离子体内有大量的自由电荷，当等离子体内的磁场刚一变化，感生电流马上就产生了，根据楞次定律，这个感生电流的磁场总是抵消原磁场的变化。磁场冻结就这样产生了。

那么，磁场冻结会带来什么后果呢？

我们知道，磁场在空间中的分布用磁感应线描绘。既然等离子体内的磁场不变，那就意味着等离子体内的磁感应线不变！所以，当等离子体在磁场中运动时，它会带着体内的那些磁感应线一起运动，如下图所示。

一个体内没有磁场的等离子体进入磁场时，因为它要始终保持内部磁场为零，它就会挤压磁感应线，如下图所示。

太阳风发出的就是大量的带电粒子，也就是等离子体，当它们吹向地球时导致地球的磁场变形了，在靠近太阳的一侧，地磁场被压缩，而远离太阳的一侧，地球磁场延伸达几十万公里。

其实等离子的特性远不止这些，它所涉及的东西太多了。正因为如此，上个世纪 20 年代之后，等离子体物理成为一门独立学科，以研究等离子体的形成、性质和运动规律。

一般来说，等离子体物理的研究方法大致有三种。

第一是研究带电粒子的运动规律，这方面其实高中物理中就涉及了 ——“带电粒子在电磁场中的运动”。

第二种是磁流体力学，将等离子体当作一个整体来研究，它是一种类似于热力学的宏观理论。

第三种就是按照统计的方法，就像气体动理论那样，建立等离子体的微观理论。

这里简单的提一下磁流体力学方法。

既然等离子体包含大量的带电粒子，这些粒子在磁场中运动时，当然要受到磁场的作用，这些作用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，人们将等离子体看作一种流体，建立磁流体力学方程组。不过由于它太复杂，这里就不列出了，有兴趣可参考相关资料。

一方面，根据质量守恒、动量守恒和能量守恒分别得到流体的连续性方程、动量方程（牛顿方程）和绝热方程。同时，既然涉及电磁场理论，那就再结合麦克斯韦方程组。这样一来就得到磁流体力学方程组。

那么，自然界中有哪些等离子体呢？

最容易想到的是地球上空的电离层。因受太阳以及宇宙线辐射，地球上空 60 千米以上的整个地球大气层处于部分电离或完全电离的状态，形成了一个电离区域。它能使无线电波发生折射、反射和散射，对无线电通讯、广播、无线电导航、雷达定位等至关重要。

再就是闪电，由于空气分子被电离形成了等离子体，具有良好的导电性，所以导致一种猛烈的放电现象。

至于极光，它其实也是一种大规模的放电现象。当太阳风这种高温炽热的带电粒子流在吹向地球时，带电粒子被磁场捕获，与大气分子发生碰撞导致发光，形成绚丽无比的极光现象。

除此之外，还有各种人造等离子体。

如果举例的话，最典型的是热核聚变中的物质，它的温度高达上亿度，物质都处于电离状态，成为等离子体。所以，等离子体研究成为受控热核聚变的关键问题。

还有本文开头提到的那个神奇的等离子体球，它也是利用等离子体物质 —— 放电的气体来工作的。它源于尼古拉・特斯拉最先发明的“惰性气体放电管”，后来由一位来自麻省理工学院的学生比尔・帕克改造为现在的样子，所以也叫“特斯拉球”。

此外，各种照明灯中，等离子体被广泛应用，例如氖或氩的等离子体常用于霓虹灯。另外，有的火焰也可看作等离子体。

值得指出的是，还有一种叫“夸克胶子等离子体”人造物质。科学家利用相对论重离子对撞机（RHIC）制造出了这种物质。它是一种全新的物质形态，曾广泛存在于宇宙诞生后的百万分之几秒内。

还有呢？想想，宇宙中还有哪些地方有等离子体物质呢？

太阳系中最大规模的等离子体当然是太阳了，因为它本身就在不断的进行着热核聚变反应，它的内部温度高达一千五百万度，物质都处于电离状态。连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。

再远点，宇宙中的恒星不都是一颗颗的太阳吗？是的，它们也都是由等离子体物质构成的。其实，不光是恒星，那些巨大的星云和大部分星际物质也是如此。

实际上，宇宙可见的质量中，99.9% 以上的质量都是等离子体！

是的，等离子体才是我们这个宇宙可见物质中的主角。固液气这三种我们常见的物态其实是极少数，它们只存在于行星和某些星际气体和尘埃中。

参考文献

• 郑春开，等离子体物理，北京，北京大学出版社，2009.

• 张三慧，大学物理学-电磁学第 3 版，北京，清华大学出版社，2008.

本文来自微信公众号：大学物理学 （ID：wuliboke），作者：薛德堡

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