听说等离子体是导体？能当电缆用吗？

“太长不看”版

等离子体在稀薄物质里的电导率可以说是无敌，但是其导电性能跟金属比还是差得远。

“想搞搞清楚”版

等离子体（又称电浆）是在固态、液态和气态以外的第四大物质状态，其特性与前三者截然不同。主要表现为其运动性质受到电磁场的主导。

宇宙中99.99％的空间充满等离子体，所以，认识等离子体，就等于认识我们所在宇宙的99.99%。

由地球表面向外，等离子体是几乎所有可见物质的存在形式，大气外侧的电离层、日地空间的太阳风、太阳日冕、太阳内部、星际空间、星云及星团，毫无例外的都是等离子体。

随着科技的发展，人造的等离子体也越来越多地出现在我们的周围。比如日常生活中：日光灯、电弧、等离子体显示屏、臭氧发生器。以及工业应用中：等离子体刻蚀、镀膜、表面改性、喷涂、烧结、冶炼、加热、有害物处理。还有高技术应用：托卡马克、惯性约束聚变、氢弹、高功率微波器件、离子源、强流束、飞行器鞘套与尾迹等等。

等离子体的应用非常广泛，而且，等离子体是电离的，意味着其内部包含自由电子，就像金属和导电溶液一样，这就很让人联想它是不是能被作为输电设备。

输电介质有一个通用的标准来衡量性能：导电率和电阻率，实质上这两个系数互为倒数，电阻率越小电导率就越大，材料就越适合输电。

这个东西就像小学生的期末考试，本科生的GPA，研究生的Paper一样。是个硬性指标。

在等离子体物理中，对于电阻率也有非常广泛的研究，其中有广泛应用的Spitzer电阻率：

(公式1)

这个理论公式是1950s提出的，直到今天还有很广泛的应用。

公式中的

是库伦对数，表征等离子体中的碰撞

其中最小作用程的取法不同研究中不大一样，但大部分理论研究中都是用库伦对数表征等离子体中的碰撞的。

公式（1）中可以直观的给出这样的规律，碰撞越多（库伦对数大），电阻率就越大。温度越高（电离度越高），电阻率越小。

所以最理想的状况就是，碰撞非常非常少，也就是高度真空，温度非常非常高，达到完全电离。这种情况下电阻率会很小。

实际测量中，在1e20cm^-3 的真空度下，大约20000度的温度下，等离子体的电导率大概是10^4 S/m:

而常见的金属的导电率：

看电阻率天梯段位不说黄金和青铜了，简直是废铁都不如。

为什么等离子体会给我们一种，它电导率很高的感觉呢？

甚至是在很多计算中，我们都是考虑理想导体等离子体，也就是使用完全没有电阻的等离子体。

核心问题就是碰撞

在金属导体中，电子在很多离子中穿梭（黄线是运动轨迹）

能影响电子运动的主要因素是碰撞。电子在金属这种到处都是原子核的物质中的碰撞频率非常高，碰撞自由程很短，两次碰撞之间电子走的路程可以近似成直线，电阻主要就是来自于电子和离子之间的碰撞。

而在稀薄的等离子体中，能影响电子运动的除了碰撞还有电磁场（黄线是运动轨迹，灰线是磁场）

而在两次碰撞之间，电子受到电磁场作用运动情况会发生非常巨大的改变。在很多时候，我们只关注这部分运动情况的时候，可以假设没有碰撞。这可以极大的减小运算量。

在计算中所使用的这种无电阻假设并不代表等离子体就是超导的，相反，等离子体电阻跟金属比还是很大的。只是在金属中产生电阻的因素【碰撞频率】在等离子体中很小。

总结

等离子体相比于空气是导体，但是导电率远不及金属，而且需要高温电离抽真空等工序，维持等离子体成本非常高。

所以，虽然在大部分理论研究中，等离子体被认为是“理想导体”。它离能被用作输电线路还有很长的路要走。

参考资料：

Cohen, Robert S.; Spitzer, Jr., Lyman; McR. Routly, Paul (October 1950). 'The Electrical Conductivity of an Ionized Gas' . Physical Review. 80 (2): 230–238. doi:10.1103/PhysRev.80.230.

Haun, Jens & Kunze, H.-J & Kosse, S & Schlanges, M & Redmer, R. (2002). Electrical conductivity of nonideal carbon and zinc plasmas: Experimental and theoretical results. Physical review. E, Statistical, nonlinear, and soft matter physics. 65. 046407. 10.1103/PhysRevE.65.046407.

撰稿：张沛锦

美编：李莹