主条目:等離子體參數

等離子體參數是一系列描述某種電漿的性質的參數。一般來說是以厘米-克-秒制來當作參數的基本單位,但是溫度卻是以電子伏特當作單位,而質量則是以質子質量的倍數當作單位。在這裡,K是指波長、Z是指荷電狀態、k是指波茲曼常數、γ是指絕熱指數而Λ 是指库仑碰撞。電漿可以看成一群粒子的系統,因此可以用統計的方式研究它。

溫度(粒子平均動能)

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溫度籠統地說代表了一種物質中諸粒子的平均動能,計量單位一般是電子伏特或開爾文。等離子體的溫度可分成電子溫度、離子溫度和中性粒子溫度。等離子體中的電子和其他諸電子之間一般會很接近熱平衡,所以電子溫度有良好的定義。但在紫外線、高能粒子或強電場等的影響下,諸電子的能量分佈和麦克斯韦-玻尔兹曼分布會有較大的偏離,但儘管如此,電子溫度仍然具有良好定義。由於質量相差懸殊,所以電子和其他諸電子之間要比電子和諸離子之間更快地達到熱平衡。因此,離子溫度和電子溫度之間可以相差很大,其中離子溫度接近室溫,而電子溫度則可以達到幾千攝氏度以上。這種情況在弱電離等離子體中尤為常見。

高低溫等離子體

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等離子體可以根據其電子溫度、離子溫度和中性粒子溫度的相對比例歸為兩類——高溫等離子體和低溫等離子體。在高溫等離子體中,電子溫度、離子溫度和中性粒子溫度處於同一水平,即熱平衡;在低溫等離子體中,電子溫度較高,而離子溫度和中性粒子溫度則比電子溫度低很多,有時甚至接近室溫。[12]

高溫等離子體的明確定義是﹕

T

e

=

T

i

=

T

g

a

s

{\textstyle T_{e}=T_{i}=T_{gas}}

,其中

T

e

{\displaystyle T_{e}}

是電子溫度、

T

i

{\displaystyle T_{i}}

是離子溫度、

T

g

a

s

{\displaystyle T_{gas}}

是中性粒子溫度。

低溫等離子體的明確定義是﹕

T

e

T

i

=

T

g

a

s

{\textstyle T_{e}\gg T_{i}=T_{gas}}

粒子數量密度

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電離度

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電離度指的是在等離子體所有分子的數量中,被電離了的分子(離子)所佔的比例,這主要受物質的溫度影響,物質的溫度愈高電離度便愈高。等離子體可以根據電離度分為冷等離子體、熱等離子體兩種。熱等離子體中的分子幾乎完全電離,而冷等離子體中則只有小部分電離分子(比如1%)。要注意的是,「冷等離子體」和「熱等離子體」在不同文獻中可能會有不同的含義。

電離度

α

{\displaystyle \alpha }

的明確定義是:

α

=

n

i

n

i

+

n

n

×

100

%

{\displaystyle \alpha ={\frac {n_{i}}{n_{i}+n_{n}}}\times 100\%}

,其中

n

i

{\displaystyle n_{i}}

是第i個電離狀態中的原子數量密度,而

n

n

{\displaystyle n_{n}}

是中性分子的數量密度。

電子的數量密度與電離度的關係

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「等離子體密度」通常指的是「電子的數量密度」,也就是每單位體積中的自由電子數量。電子的數量密度

n

e

{\displaystyle n_{e}}

與電離度

α

{\displaystyle \alpha }

的關係是:

n

e

=

Z

n

i

{\displaystyle n_{e}=\langle Z\rangle n_{i}}

,其中

n

i

{\displaystyle n_{i}}

是第i個電離狀態中的原子數量密度,而

Z

{\displaystyle \langle Z\rangle }

是離子的平均電荷態。

電離能、電子溫度和電離度的關係

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薩哈電離方程描述了電子溫度、電離能與電離度的關係,即電子溫度與電離能的比例決定了等離子體的電離度(密度也有較弱的影響)。在比較高的電子溫度下,才能要維持物質的電離狀態;而在比較低的電子溫度下,陽離子和電子會互相結合,等離子體就會成為氣體。[13]

对于由一种原子所组成的气体,薩哈電離方程为:

n

i

+

1

n

e

n

i

=

2

Λ

3

g

i

+

1

g

i

exp

[

(

ϵ

i

+

1

ϵ

i

)

k

B

T

]

{\displaystyle {\frac {n_{i+1}n_{e}}{n_{i}}}={\frac {2}{\Lambda ^{3}}}{\frac {g_{i+1}}{g_{i}}}\exp \left[-{\frac {(\epsilon _{i+1}-\epsilon _{i})}{k_{B}T}}\right]}

其中

n

i

{\displaystyle n_{i}\,}

是第i個電離狀態中的原子數量密度,也就是說,原子失去了i個電子;

g

i

{\displaystyle g_{i}\,}

是i-離子的狀態的簡併能階;

ϵ

i

{\displaystyle \epsilon _{i}\,}

是中性原子失去i個電子,形成一個i級離子所需要的能量;

n

e

{\displaystyle n_{e}\,}

是電子的數量密度;

Λ

{\displaystyle \Lambda \,}

是電子的熱得布羅意波長:

Λ

=

d

e

f

h

2

2

π

m

e

k

B

T

{\displaystyle \Lambda \ {\stackrel {\mathrm {def} }{=}}\ {\sqrt {\frac {h^{2}}{2\pi m_{e}k_{B}T}}}}

m

e

{\displaystyle m_{e}\,}

是電子質量;

T

{\displaystyle T\,}

是氣體的溫度;

k

B

{\displaystyle k_{B}\,}

是玻茲曼常数;

h

{\displaystyle h\,}

是普朗克常数。

電勢

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帶電粒子間的空間內的電勢稱為「等離子體電勢」或「空間電勢」。不過由於德拜鞘層的緣故,如果往等離子體中插入電極,所測量的電勢一般都會比等離子體電勢低很多。等離子體是良好的導電體,所以其內部的電場很小。從而有「準中性」這一重要的概念,即:在足夠大的範圍內,等離子體中的陽離子和陰離子有近乎相同的數量密度(

n

e

=

Z

n

i

{\displaystyle n_{e}=\langle Z\rangle n_{i}}

);在德拜長度尺度上,則會有不均勻的電荷分佈。在產生雙層的特殊情況下,電荷分離的尺度可以是德拜長度的數十倍。

要得出電勢和電場的大小,一種做法是假設電子的數量密度滿足玻爾茲曼關係:

n

e

e

e

Φ

/

k

B

T

e

{\displaystyle n_{e}\propto e^{e\Phi /k_{B}T_{e}}}

對等號兩邊求導,可得出從等離子體的電子的數量密度計算其內部的電場的公式:

E

=

(

k

B

T

e

/

e

)

(

n

e

/

n

e

)

{\displaystyle {\vec {E}}=(k_{B}T_{e}/e)(\nabla n_{e}/n_{e})}

等離子體也有可能不是準中性的,例如電子束就只含陰離子。非中性等離子體一般密度都非常低,或體積非常小,否則靜電力的會使等離子體自相排斥並消散。

在天體物理學所研究的等離子體中,德拜屏蔽會避免電場在大尺度上(超過德拜長度)影響等離子體。但是,等離子體中的帶電粒子會產生磁場,並受磁場的影響,例如形成雙層──電荷間分離數十個德拜長度。等離子體在外部和內部磁場影響下的動力學現象,是磁流體力學的研究對象。

磁化強度

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當等離子體的自身磁場足以影響帶電粒子的運動時,就可稱之為「磁化等離子體」。常用的量化條件是,某粒子在與其他粒子碰撞之前,要在磁場內迴旋至少一圈:

ω

c

e

/

v

c

o

l

l

>

1

{\displaystyle \omega _{\mathrm {ce} }/v_{\mathrm {coll} }>1}

,其中

ω

c

e

{\displaystyle \omega _{\mathrm {ce} }}

是電子迴轉頻率,

v

c

o

l

l

{\displaystyle v_{\mathrm {coll} }}

是電子碰撞率。一種較常見的情況是,等離子體中的電子是磁化的,陽離子則不是。磁化等離子體不具各向同性:它在平行和垂直於磁場的方向上有不同的性質。雖然等離子體自身的電場很小,但在磁場中運動的等離子體也會產生電場:

E

=

v

×

B

{\displaystyle \mathbf {E} =-v\times \mathbf {B} }

,其中

E

{\displaystyle \mathbf {E} }

是電場,

v

{\displaystyle \mathbf {v} }

是速度,

B

{\displaystyle \mathbf {B} }

是磁場。這一電場不受德拜鞘層影響。[14]

參數的範圍

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参见:等離子體參數

等離子體參數可以在數個數量級之間變化,但在參數上顯然不同的電漿,卻有相當類似的性質(參考電漿比例(英语:plasma scaling)),下表只考慮傳統帶正負電的電漿,不考慮特殊的夸克-膠子漿。

等離子體參數範圍。縱軸為電子密度,橫軸為溫度。金屬內的自由電子可以視為電子等離子體。[15]