大气压非平衡等离子体射流-物理基础

等离子体是物质的四个基本状态之一，其他状态分别为固体、液体和气体。等离子体是宇宙中最丰富的物质形式。实际上，等离子体占宇宙中可见物质的99%以上，它们由正离子、电子或负离子、中性粒子组成。当通过诸如放电等方式将大量能量注入到气体中时，从原子或分子中逃逸出的电子变成自由电子，这些自由电子继续从电场中获得能量，然后通过碰撞产生更多的电子和离子。最终，更多数量的电子和离子改变了气体的电特性，从而变成了电离的气体，即等离子体。

从科学严谨的角度来看，并非所有包含带电粒子的介质都可以归类为等离子体。它必须满足某些条件或标准才能被归类为等离子体。第一个标准是宏观中性，它与德拜长度（λD）[1～3]有关，即

其中，ε0是真空介电常数，k是玻尔兹曼常数（1.38×10-23J/K），Te是电子温度，ne是电子密度，e是电子电荷。假设L是等离子的特征尺寸，则等离子需要满足的第一个标准是

在λD的空间尺度范围内，它可能不满足宏观电中性的条件；但在远大于λD的空间尺度，它满足宏观电中性。

另外，德拜球内的电子数目必须非常大。因此，等离子体需要满足的第二个标准是

这意味着，与λD相比，电子之间的平均距离（由n-1/3e大致给出）必须很小。该量被定义为(www.xing528.com)

该参数称为等离子体参数，条件g≪1称为等离子体近似。

第三个标准是时域方面。它要求电子-中性粒子碰撞频率（νen）远小于电子等离子体频率νpe，即

而电子等离子体频率为

其中，me是电子质量。如果不等式（1.1.5）得到满足，就意味着电子将具有独立的行为，否则电子将因碰撞而与中性粒子保持平衡，此时仍应该将介质视为中性气体。式（1.1.5）也可以写成

τ=1/νen表示电子与中性粒子碰撞之间的平均时间，ω代表典型等离子体振荡的角频率。当式（1.1.7）得到满足时，就意味着与电子-中性粒子碰撞的平均时间比等离子体物理参数变化的特征时间长。