高温与低温等离子体

等离子体可以根据其电子、离子和中性粒子的相对温度归为两类──高温等离子体和低温等离子体。在高温等离子体中，电子、离子和中性粒子处于同一温度，即热平衡；在低温等离子体中，电子有较高的温度，而离子和中性粒子的温度则比电子低很多，有时甚至接近室温。

完全与非完全电离

等离子体可以根据电离程度分为冷、热两种。热等离子体中的粒子几乎完全电离，而冷等离子体中则只有小部分电离粒子（比如1%）。“冷”、“热”等离子体在不同文献中可能会有不同的含义。就算是在所谓的“冷”等离子体中，电子温度也可以达到几千摄氏度。

带电粒子间的空间内的电势称为“等离子体电势”或“空间电势”。不过由于德拜鞘层的缘故，如果往等离子体中插入电极，所测量的电势一般都会比等离子体电势低很多。等离子体是良好的导电体，所以其内部的电场很小。从而有“准中性”这一重要的概念，即：在足够大的范围内，等离子体中的阳离子和阴离子有近乎相同的密度（ ）；在德拜长度尺度上，则会有不均匀的电荷分布。在产生双层的特殊情况下，电荷分离的尺度可以是德拜长度的数十倍。

等离子体实质上是电离的气体，但也往往被视为固体、液体和气体以外的第四大物质状态，并与其他低能量相态分隔开来。虽然它和气体一样没有固定的形状和体积，但是两者间仍有以下若干不同之处。

等离子体从质量和体积上都是宇宙中最常见的物质相态。大部分来自太空的可见光都源于恒星，而恒星是由等离子体所组成，其温度所对应的辐射含较强的可见光。更宏观地来看，宇宙绝大部分普通物质（即重子物质）都位于星系际空间，同样是由等离子体组成，其温度则高得多，主要辐射X-射线。尽管如此，如果纳入普通物质以外所有类型的能量，那么在全宇宙的总能量密度中，就有96%不属于普通物质（进而也不是等离子体），而是冷暗物质和暗能量。

1937年，汉尼斯·阿尔文论证，如果宇宙充斥着等离子体，这些物质就会产生电流，从而产生星系尺度上的磁场。在获得诺贝尔物理学奖后，他又强调：

要了解某个等离子体区域内的各种现象，既要测绘出磁场，又要测绘出电场和电流。太空中布满了纵横交错的电流网络，能够在大尺度乃至非常大尺度上传递能量和动量。这些电流往往会缩成丝状或表面电流，后者很有可能会使太空──星际和星系际空间──形成一种胞状结构。

太阳和其他恒星一样是由等离子体所组成。其最外层称为日冕，是温度约为10K的等离子体，从太阳表面开始向整个太阳系扩张，充斥行星际空间，并止于日球层顶。在日球层顶以外，也充斥着等离子体星际介质。连无法直接观测的黑洞相信也是通过吸入吸积盘中的等离子体而壮大的，而且和由发光等离子体所组成的相对论性喷流有紧密的联系，如延伸5千光年之遥的室女A星系喷流。

等离子体中如果有尘粒，净负电荷会积累在尘粒上，这些尘粒的性质类似于质量很大的阴离子，且可以视为等离子体的一个组成部分。

虽然用以描述等离子体的式子相对简单，但是等离子体的各种现象却是错综复杂的。这种从简单物理模型中出现不可预见行为的现象，正是复杂系统的特性。此类系统从某种意义上处于有序和无序间的边界上，无法用简单光滑的数学函数或纯粹的随机过程来描述。等离子体结构的特点在于，形状尖锐，在空间上断断续续（即特征间的距离大于特征本身的大小），甚或产生分形。不少现象最早是在实验室中观察到的，之后，天文物理学者又发现其广泛存在于宇宙之中。

白克兰电流是一种丝弦状结构，可见于等离子灯、极光、闪电、电弧、太阳耀斑、超新星遗迹等的等离子现象。弦中的电流密度更高，在磁场的影响下会产生磁绳结构。标准大气压下的高功率微波分解也会造成丝状结构的形成。

高功率激光脉冲的自我聚焦效应也会产生丝状等离子体。在高功率下，折射率的非线性部分变得重要。因为激光束的中心比外围更亮，所以中心的折射率会比外围更高，使得激光进一步聚焦。亮度峰值（福照度）因此增加，并使激光束产生等离子体。等离子体的折射率低于1，会使激光束发散。在自我聚焦效应和等离子体发散效应之间的相互作用下，等离子体形成丝状，其长度短至微米，长至公里。这样产生的丝状等离子体的特点是离子密度低，这是由于电离电子有发散的作用。

当激波（移动）或双层（静止）这些薄片结构存在的情况下，等离子体的性质从薄片的一边到另一边可以有急剧的变化（在几个德拜长度以内）。双层之中的局部电荷分离使双层内部有较大的电势差异，但在双层以外不产生任何电场。这可以分隔开双层两边性质不同的等离子体，并使离子和电子加速。

等离子体的准中性意味着，等离子体中的任何电流都必须形成回路。这种回路同样遵守基尔霍夫电路定律，并具有电阻和电感。一般来说，等离子体回路都必须当做强耦合系统，即某一区域的性质受整个回路的影响。强耦合性加上非线性会产生复杂的现象。这些回路中储存着磁能，一旦回路受到破坏，例如因等离子体不稳定性，这一能量将会以加热和加速的形式释放出来。日冕中的加热现象通常就是以此为解释的。等离子体电流，特别是磁场对齐的电流（一般称为白克兰电流），也出现在地球极光和丝状等离子体中。

等离子体中所形成的高梯度薄片可以分隔开磁化强度、密度、温度等性质不同的区域，形成胞状结构，如磁层、太阳圈和太阳圈电流片等。汉尼斯·阿尔文曾写道：“从宇宙学的观点来看，太空研究中最重要的新发现莫过于宇宙的胞状结构。在原位测量方法能够研究的一切宇宙范围内，无一不有‘胞壁’。这些带电流的薄片把太空分割成磁化强度、密度、温度等等性质各异的区域。”

当等离子体和中性气体之间达到一定的相对速度时，就会发生失控的电离反应，这一临界速度称为临界电离速度。临界电离过程可以将快速流动气体的动能转化为电离能和等离子体热能，适用范围广泛。临界现象会产生空间或时间上急剧变化的结构，是复杂系统的一个典型特征。

超冷等离子体的制备过程如下。磁光阱先将中性原子降温至1mK以下，再用另一个激光束把仅仅足够的能量传给原子的最外层电子，使其脱离原子的束缚。超冷等离子体的优势在于，其初始条件能够很好地设定及调整，包括大小和电子温度。通过调整用于电离的激光的波长，便能控制逃逸电子的动能。这一动能是由激光脉冲的带宽决定的，最低可达0.1 K。电离后产生的离子一开始会保留中性原子原来的温度，但温度会因为所谓的乱度加热效应而迅速升高。此类非平衡超冷等离子体会快速地演变，并展现出各种有趣的现象。

等离子体的导电性以及电场强度和范围意味着，在足够大的体积内，正负电荷大体相等，是为准中性。当等离子体含有过高的净电荷密度，甚至完全以单种带电粒子组成时，就称为非中性等离子体。电场在这种等离子体中的作用是举足轻重的。例子有：带电粒子束、彭宁离子阱中的电子云以及正子等离子体等等。

尘埃等离子体含有细小的带电尘粒，通常存在于太空之中。尘粒能积累较高的电荷，并相互影响。实验室中的尘埃等离子体又称“复杂等离子体”。

不可渗透等离子体是一种热等离子体，它对于气体和冷等离子体的性质如同不可渗透的固体，而且能够受别的物质推挪。以汉尼斯·阿尔文为首的研究组曾经在1960至1970年代短暂地研究不可渗透等离子体，试图在核聚变反应中用它来隔开聚变等离子体和反应堆壁。然而他们不久后发现，这种组态下的外部磁场会使等离子体产生所谓的扭折不稳定性，导致热量过多地向炉壁流失。

2013年，一组材料科学家宣称，他们不用磁约束，只用一层超高压力低温气体，成功地生成稳定的不可渗透等离子体。虽然由于高压的关系无法通过光谱法取得等离子体的性质，但从等离子体对各种纳米结构合成过程的间接影响可以清晰看出，这种约束方法是有效的。他们还发现，在维持不渗透性几十秒后，等离子体和气体的界面会筛选离子，这有可能引起第二种加热模式（称为粘性加热）。这种模式意味着，反应会有不同的动力学特性，并会产生复杂的纳米材料。

要完全描述等离子体的状态，原则上须要写下所有粒子的位置和速度，并计算出等离子体范围内的电磁场。不过这种繁复的做法一般是不切实际的，在现实中也不可能测量出每颗粒子的动态。所以，等离子体物理学家通常会运用简化的模型，这些模型可分为以下两大类。

流体模型利用光滑的量来描述等离子体，如密度和某位置周围的平均速度（参见等离子体参数）。简单的流体模型有磁流体力学，它结合麦克斯韦方程组和纳维-斯托克斯方程组，并把等离子体视为遵守这套方程组的单一流体。再推广一步，有将离子和电子分开描述的双流体模型。当碰撞频率足够高，使等离子体的速度分布近似麦克斯韦-玻尔兹曼分布时，流体模型就相对准确。由于流体模型通常把等离子体描述成每个空间位置具有某特定温度的单一的流，因此无法描述等离子体束或双层这类速度随空间改变的结构，以及任何波粒效应。

动力学模型描述等离子体中每一点的速度分布函数，所以无须假设麦克斯韦方程组。在无碰撞等离子体中，往往需要此类模型。动力学模型有两种：第一种在速度和位置上设下格子，并在格子上表示光滑化的分布函数；另一种称为“胞中粒子”方法，它通过追踪一大群单独粒子的轨迹来描述动力学状态。动力学模型的计算密集度一般比流体模型更高。弗拉索夫方程能够描述带电粒子与电磁场发生相互作用的系统的动力学状态。

在磁化等离子体中，陀螺动力学方法可以大大降低一个完全使用动力学模型的模拟的计算密集度。