我们先来看一个有趣的事情。它的主体是一个封闭的玻璃球，里面充有某种低压惰性气体，球的中心是一个高压电极。通电后，内部气体因高压产生放电火花，形成一条条彩色光，形...
我们先来看一个有趣的事情。
它的主体是一个封闭的玻璃球，里面充有某种低压惰性气体，球的中心是一个高压电极。通电后，内部气体因高压产生放电火花，形成一条条彩色光，形成“球状闪电”。
当你把手放在球上时，这些彩色闪电会集中在你手的位置上。更有趣的是，它还能点亮附近的日光灯！
闪电？这和地球上的闪电有关系吗？
是的，不仅是闪电，极光也与之息息相关。
闪电，像一个拥有超能力的王者，只是一瞬间，却让人不寒而栗。
极光看起来很温柔，但它是如此的罕见，除了在那些特定的地方。
但是，它们对应的物质形态是一样的。不仅是它们，扭曲地球磁场的太阳风，
还有那些夜市霓虹灯里的发光物质，都是同一种。
当然也包括第一个有趣的东西，叫做“等离子球”。
对，都是血浆，就是血浆。
那么，什么是等离子体？
除了固体、液体和气体，物质还有第四种状态，这就是等离子体。
物质之所以从固体变成液体，又从液体变成气体，是由温度升高引起的。同样，气体变成等离子体也是由温度升高引起的。
随着温度的升高，分子、原子和电子的动能增加。当温度上升到一定程度时，电子的动能大到无法控制。需要自由到分子和原子承受不了，所以我们要让电子走。然后部分物质结构崩塌，变成由分子、自由电子和正离子组成的物质形态。
从上面的说法可以看出，等离子体其实是一种高温气体。只是和普通气体不同，它含有自由电子和正离子。
那么有人会问:有电子和正离子的气体算是等离子体吗？
不要！只有当带电粒子的浓度很高时，才能认为是等离子体。比如一个常见的问题:火焰是等离子体吗？正确答案是:一般来说，火焰只是高温气体，不是等离子体，但如果火焰中带电粒子的浓度很高，那么火焰就是等离子体。
然而，等离子体中自由电子的浓度到底有多高？
要回答这个问题，我们得从等离子体的宏观电负性说起。
虽然血浆含有正负电荷，但它通常是电中性的。这就决定了等离子体中的电荷必须足够。这样才能保证即使某个地方出现电荷集中，也能立即从其他地方调动相反的电荷来平衡，从而保持该地方电中性。
电中性等离子体中不可能出现电场。其实这也可以用导体的性质来解释:导体总是有足够的自由电荷来屏蔽外场。对于等离子体来说，其体内的电子是自由的，所以等离子体是非常好的导体。根据导体的静电平衡条件，其中不可能存在电场。
因此，宏观电中性是等离子体最重要的特征。
假设一个带正电的物体放在等离子体中。由于等离子体是优良的导体，为了保持内部电场为零，必须有足够多的电子在带电体周围运行——就像导体的静电感应一样。
但与静电感应不同的是，这些电子不像普通导体的静电平衡那样在一个薄层上，因为热运动太强。它们在等离子体中形成的电荷层具有一定的厚度。
在该电荷层中，等离子体材料受到电场的影响。但是在这个范围之外，电场被屏蔽了，这就是等离子体的屏蔽作用。它保护等离子体免受外部电场的影响，并保持其电中性。
这个电子层的厚度叫做屏蔽距离。德国物理学家德拜指出屏蔽距离是满足的。
是等电子温度。可以看出，在不同的电子浓度和不同的温度下，屏蔽距离是不同的。
这个屏蔽距离有什么用？
显然，如果一种电离气体的空间范围远大于屏蔽距离，那么大多数电离气体都可以有效地保持宏观电中性。
基于此，德拜提出了等离子体的判断条件:尺寸远大于屏蔽距离的电离气体可视为等离子体。
有了这个公式，关于是不是血浆的争论可以休矣！一切以计算结果为准。为什么一般蜡烛的火焰不是等离子？因为它的带电粒子浓度不够高，屏蔽距离太大，超过了火焰本身的大小。
知道了什么是等离子，我们来说说它的一些特性。
让我们先来看看等离子体的温度。
等离子体的温度有一个很高的底部，如聚变反应中的等离子体物质，其温度高达数亿K；低至磁流体发电机中的等离子体物质，其温度通常为几千到几万k，但与日常温度相比，这些都是很高的。
用作霓虹灯的氖或氩等离子体中电子的温度高达20000摄氏度。这似乎违背了人生经验:2万度？灯还能存在还觉得冷吗？为什么？
简单来说，因为这个温度只是等离子体中电子的温度，所以阳离子和分子的温度远低于这个！所以灯管内的等离子体并不是很“热”，正因为如此，含有等离子体的灯管才不会被烧坏。
为什么会有两种温度？
因为电子的质量很小，所以它们和阳离子、分子的碰撞是完全弹性的，就像乒乓球铅球一样。它们之间没有能量交换，所以电子无法与整个等离子体达到热平衡。
看等离子体和磁场的相互作用。
等离子体是非常好的导体，因为它含有大量的自由电子和阳离子。如上所述，这使得等离子体中没有电场，但磁场可以！
但是磁场要有限制，因为“电场为零”对磁场有严格的约束，就是磁场不能变！
为什么？因为根据电磁感应定律，变化的磁场会产生电场。既然不允许电场存在，那就只需要保持磁场不变！
所以，如果等离子体中没有磁场，就永远没有磁场；如果等离子体中存在磁场，则磁场会一直保持不变。这是等离子体中磁场的冻结。
你可能会好奇:这种冷冻效果是怎么实现的？
等离子体中有大量的自由电荷。一旦等离子体中的磁场发生变化，就会立即产生感应电流。根据楞次定律，感应电流的磁场总是抵消原磁场的变化。磁场因此被冻结。
那么，磁场冻结会发生什么？
众所周知，磁场在空间的分布是用磁感应线来描绘的。既然等离子体中的磁场是恒定的，就意味着等离子体中的磁感应线是恒定的！所以当等离子体在磁场中运动时，会随着体内那些磁感应线一起运动，如下图所示。
当体内没有磁场的等离子体进入磁场时，由于它始终保持内部磁场为零，会挤压磁感应线，如下图所示。
风放出大量带电粒子，也就是等离子体。当它们吹向地球时，地球磁场变形。在靠近太阳的一侧，地球磁场被压缩，而在远离太阳的一侧，地球磁场延伸数十万公里。
其实等离子的特性远不止这些，它涉及的东西太多了。正因为如此，20世纪20年代以后，等离子体物理成为一门研究等离子体的形成、性质和运动规律的独立学科。
一般来说，等离子体物理有三种研究方法。
首先是研究带电粒子的运动规律，高中物理其实就有涉及——“带电粒子在电磁场中的运动”。
第二个是磁流体力学，它把等离子体作为一个整体来研究。它是一种类似于热力学的宏观理论。
三是根据统计方法建立等离子体的微观理论，就像气体动力学理论一样。
这里简单介绍一下磁流体力学方法。
由于等离子体中含有大量的带电粒子，当这些粒子在磁场中运动时，当然会受到磁场的影响，这些影响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，人们把等离子体看作一种流体，建立磁流体动力学方程。不过因为太复杂，这里就不列举了。有兴趣的话可以参考相关资料。
一方面，根据质量、动量和能量守恒，分别得到流体的连续性方程、动量方程和绝热方程。同时，既然涉及电磁场理论，就要结合麦克斯韦方程组。这样就得到磁流体动力学方程。
那么，自然界有哪些等离子体呢？
最容易想到的就是地球上空的电离层。由于太阳和宇宙射线的辐射，地球上空60公里以上的整个地球大气层处于部分电离或完全电离状态，形成电离区。它能折射、反射和散射无线电波，对无线电通信、广播、无线电导航和雷达定位都非常重要。
然后就是闪电，因为空气分子电离形成导电性好的等离子体，导致剧烈的放电现象。
至于极光，其实是大规模放电现象。当太阳风这种炽热高温的带电粒子流吹向地球时，带电粒子被磁场捕获，与大气分子碰撞产生光发射，形成绚丽的极光现象。
除此之外，还有各种人造等离子体。
比如最典型的就是热核聚变中的材料。它的温度高达上亿度，所有的物质都被电离，变成等离子体。因此，等离子体研究已成为受控热核聚变的关键问题。
还有本文开头提到的神奇等离子球，也是利用等离子体物质——放电气体来工作的。它起源于尼古拉·特斯拉首先发明的“惰性气体放电管”，后来被麻省理工学院的学生比尔·帕克改造成现在的形式，所以也被称为“特斯拉球”。
此外，等离子广泛应用于各种照明灯具中，如氖灯中常用的氖气或氩气等离子。另外，有些火焰也可以看作等离子体。
值得指出的是，还有一种人造物质叫做“夸克胶子等离子体”。科学家利用相对论重离子对撞机制造了这种物质。它是一种全新的物质形态，曾经在宇宙诞生后的百万分之几秒内广泛存在。
还有什么？想想看，宇宙中还有哪里有等离子体物质？
当然，太阳系中最大的等离子体是太阳，因为它在不断进行热核聚变反应。它的内部温度高达1500万度，所有物质都被电离。甚至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。
进一步说，宇宙中的恒星不都是太阳吗？是的，它们也是由等离子体物质构成的。事实上，不仅是恒星，还有那些巨大的星云和大部分星际物质。
其实宇宙中99.9%以上的可见质量都是等离子体！
是的，等离子体是我们宇宙中可见物质的主角。物质常见的三种状态，固态和气态，其实很少。它们只存在于行星和一些星际气体和尘埃中。
参考
郑春凯，等离子体物理，北京，北京大学出版社，2009。
张三辉，大学物理-电磁学第3版，北京，清华大学出版社，2008。