等离子体基本特性探析

等离子体常被描述为物质的第四种状态，其他三种状态分别为固态、液态和气态。等离子体由部分电离或全部电离的气体组成。这些气体的原子和分子中的一些电子因具有足够的能量而离开，且不易重新结合。带电粒子密度必须同时满足两个条件才能形成等离子体：①密度必须足够大，从而在粒子的统计学特性中，远距离粒子的库仑力成为重要因素；②密度必须小于一定值，使得相邻粒子间的库仑力远小于其他远距离粒子库仑力的总和。由于远距离粒子库仑力发挥重要作用，等离子体呈现聚集效应。同时，等离子体具有导电性，又能对电磁场作出整体反应，且拥有相同数量的正、负带电粒子。在弱电离的等离子体中主要为电中性反应，在强电离的等离子体中则库仑力占据主导地位［1］。

1.德拜长度

等离子体的一个重要静态特性就是它能屏蔽带电电荷、改变电荷作用的距离。假定一个正电荷q 放入等离子体中，电子会受到电荷的吸引，正离子会受到电荷的排斥，导致在正电荷周围形成电子云，有效地屏蔽了电荷。因为电子具有热能，所以只是发生运动轨迹偏转，但不会接触到正电荷，而是保持在其周围，像航天器围绕地球一样。等离子体内带电粒子的电场可表示为

式中：ε0 为自由空间介电常数；r 为粒子与电荷q 之间的距离；λD 为德拜长度。这里的德拜长度是距离尺度因子，它是指在等离子体中，与没有等离子体相比，电场强度减少到1/e（e 约等于2.718）时的距离。等离子体内带电粒子的电场作用一般不会超过几个德拜长度［13］。德拜长度的定义为

式中：e 为元电荷大小；i 为离子类型号；ji 为对应离子具有的单位电荷；k 为玻耳兹曼常数；ne 为电子密度值；ni 为对应离子密度；Te 为电子温度；Ti 为对应离子温度。如果所有离子电离方式一致，且电子与离子温度相同，则式（4-3）可简化为

如果在离子温度远小于电子温度的情况，则可以忽略离子影响，采用电子的密度ne，以及电子温度Te 代入式（4-4）即可。

2.等离子体频率(www.xing528.com)

等离子体电子频率，有时简称等离子体频率，是指等离子体内电子相对于离子的自然振动频率［15］，定义为

等离子体频率为等离子体的固有属性之一。低于这一频率的电磁波是无法在等离子体中传播的，而是会被反射回去。这一特性在通信、等离子体天线以及等离子体防护等领域有着广泛的应用。

3.等离子体参数

等离子体参数［1］定义为在德拜球内电子数量的平均值。德拜球是指在等离子体内，以所测试的带电粒子为中心，以德拜长度为半径的球形空间［15］。由式（4-4）可以得到无量纲的等离子体参数为

等离子体参数也可以认为是德拜长度与粒子间距比率的立方，值一般较大。