空间中有等离子体吗？

您是否想过星际或银河系空间中包含什么？ 空间存在技术上的真空，因此不包含任何内容（不是绝对不包含任何内容，而是相对的意思）。 您会说对的，因为在星际空间中，平均每立方厘米大约有1000个原子，并且相隔很远，所以该物质的密度可以忽略不计。 但这不是那么简单直接。 星际介质的空间分布是不平凡的。 除了一般的银河结构，例如星系的跳线（杆）和旋臂外，还存在被较热气体包围的冷云和暖云。 星际介质（MLM）具有大量结构：巨大的分子云，反射星云，原行星云，行星状星云，小球等。这导致在介质中发生各种观测现象和过程。 下面的列表列出了MOH中存在的结构：

• 冠状气体
• HII的明亮区域
• HII低密度区域
• 云环境
• 温暖地区HI
• 马瑟凝结
• 云喜
• 巨分子云
• 分子云
• 小球

由于存在所有结构，因此我们不再赘述，因为该出版物的主题是等离子体。 以下可归因于等离子体结构：日冕气体，明亮的HII区域，温暖的HI区域，HI云，即 几乎整个列表都可以称为血浆。 但是，您反对的是，空间是物理真空，怎么会有这样浓度的微粒的等离子体呢？

为了回答这个问题，有必要给出一个定义：什么是等离子体，物理学家认为什么状态是等离子体？
根据等离子体的现代概念，这是处于气态，高度电离的物质的第四种状态（第一种状态是固体，第二种状态是液体，最后第三种是气体）。 但是并不是所有的气体，甚至是电离的，都是等离子体。

等离子体由带电的中性粒子组成。 带正电的粒子是正离子和空穴（固态等离子体），带负电的粒子是电子和负离子。 首先，您需要了解特定类型颗粒的浓度。 如果所谓的电离度等于，则认为等离子体弱电离

$$

$$r = N_e / N_n$$

在哪里 $$$N_e$ 是电子的浓度， $$$N_n$ -等离子体中所有中性粒子的浓度在 $$$（r <10 ^ {-2}-10 ^ {-3}）$ 。 完全电离的等离子体具有一定的电离度 $$$r \至\ infty$

但是如上所述，并不是每个电离气体都是等离子体。 等离子体必须具有准中性的特性，即具有 平均而言，对于足够长的时间段和足够大的距离，等离子体通常是中性的。 但是，可以将气体视为等离子体的这些时间间隔和距离是多少？

因此，准中立性要求如下：

$$

$$\ sum _ {\ alpha} e _ {\ alpha} N _ {\ alpha} = 0$$

首先，让我们找出物理学家如何估计电荷分离的时间尺度。 想象一下，等离子体中的某些电子偏离了其在空间中的原始平衡位置。 库仑力开始作用于电子，力求使电子返回平衡状态，即 $$$F \大约e ^ 2 / {r ^ 2} _ {cp}$ 在哪里 $$$r_ {星期三}$ 是电子之间的平均距离。 该距离大致估算如下。 假设电子的浓度（即每单位体积的电子数）为 $$$N_e$ 。 电子平均彼此相距一定距离 $$$r_ {星期三}$ ，因此它们平均占据了音量 $$$V = \ frac {4} {3} \ pi r_ {cp} ^ 3$ 。 因此，如果这个体积中有1个电子， $$$r_ {cp} =（\ frac {3} {4 \ pi N_e}）^ {1/3}$ 。 结果，电子将开始以一定频率在平衡位置附近振荡

$$

$$\ omega \大约\ sqrt {\ frac {F} {mr_ {cp}}} \\大约\ sqrt {\ frac {4 \ pi e ^ 2 N_e} {3m}}$$

更准确的公式

$$

$$\ omega_ {Le} = \ sqrt {\ frac {4 \ pi e ^ 2 N_e} {m}}$$

该频率称为电子Langmuir频率 。 它是由诺贝尔化学奖获得者美国化学家欧文·朗缪尔（Irwin Langmuir）提出的，“用于表面现象化学领域的发现和研究”。

因此，很自然地将朗缪尔频率的倒数作为电荷分离的时间尺度

$$

$$\ tau = 2 \ pi / \ omega_ {Le}$$

随着时间的推移，大规模进入太空 $$$t >> \ tau$ 粒子在平衡位置周围产生许多振动，等离子体整体上将是准中性的，即 就时间尺度而言，星际介质可能被误认为血浆。

但是也有必要评估空间比例，以便准确显示宇宙是等离子体。 从物理上考虑，很明显，该空间尺度由长度决定，由于带电粒子在等于等离子振荡周期的时间内的热运动而引起的带电粒子密度的扰动可以移动的长度。 因此，空间比例等于

$$

$$r_ {De} \大约\ frac {\ upsilon_ {Te}} {\ omega_ {Le}} = \ sqrt {\ frac {kT_e} {4 \ pi e ^ 2 N_e}}$$

在哪里 $$$\ upsilon_ {Te} = \ sqrt {\ frac {kT_e} {m}}$ 。 你问，这个奇妙的公式是从哪里来的。 我们将这样推理。 恒温器平衡温度下等离子体中的电子随动能不断移动 $$$E_k = \ frac {m \ upsilon ^ 2} {2}$ 。 另一方面，从统计热力学可以知道均匀的能量分布定律，平均每个粒子具有 $$$E = \ frac {1} {2} kT_e$ 。 如果我们将这两种能量进行比较，就会得到上面给出的速度公式。

因此，我们得到了长度，在物理学上称为电子德拜半径或长度 。

现在，我将展示Debye方程的更严格推导。 再次，想象一下在电场作用下有一定数量位移的N个电子。 在这种情况下，一层空间电荷的密度等于 $$$\总和e_j n_j$ 在哪里 $$$e_j$ 是电子的电荷， $$$n_j$ 是电子的浓度。 从静电学上，泊松公式是众所周知的

$$

$$\ bigtriangledown ^ 2 \ phi（{r}）=-\ frac {1} {\ epsilon \ epsilon_0} \ sum e_j n_j$$

在这里 $$$\ epsilon$ -介质的介电常数。 另一方面，电子由于热运动而移动，并且电子根据玻耳兹曼分布进行分布

$$

$$n_j（{r}）= n_0 \ exp（-\ frac {e_j \ phi（{r}）} {kT_e}）$$

我们用玻尔兹曼方程代替泊松方程，得到

$$

$$\ bigtriangledown ^ 2 \ phi（{r}）=-\ frac {1} {\ epsilon \ epsilon_0} \ sum e_j n_0 \ exp（-\ frac {e_j \ phi（{r}）} {kT_e}）$$

这是泊松-玻尔兹曼方程。 我们以泰勒级数展开该方程式的指数，并丢弃二阶和更高的数量。

$$

$$\ exp（-\ frac {e_j \ phi（{r}）} {kT_e}）= 1-\ frac {e_j \ phi（{r}）} {kT_e}$$

将该展开式代入泊松-玻尔兹曼方程，得到

$$

$$\ bigtriangledown ^ 2 \ phi（{r}）=（\ sum \ frac {n_ {0j} e_ {j} ^ 2} {\ epsilon \ epsilon_0 kT_e}）\ phi（{r}）-\ frac {1 } {\ epsilon \ epsilon_0} \ sum n_ {0j} e_ {j}$$

这就是德拜方程式。 更准确的名称是Debye-Hückel方程。 如上所述，在等离子体中，在准中性介质中，该方程式的第二项等于零。 在第一学期中，我们基本上具有Debye长度 。

在星际介质中，德拜长度约为10米，在星际介质中约为 $$$10 ^ 5$ 米。 我们看到，例如与电介质相比，它们的数量非常大。 这意味着电场在这些距离上无衰减地传播，从而将电荷分配到整体带电层中，这些带电层的粒子在平衡位置周围以等于Langmuir的频率振荡。

从这篇文章中，我们了解到两个确定空间介质是否为等离子体的基本量，尽管该介质的密度非常小，而整个空间在宏观上是物理真空。 在本地范围内，我们有气体，灰尘或等离子体