Kategorie: Fyzika
Publikováno:
Odpověď na tuto otázku je složitější, než si většina lidí myslí. Některé plameny skutečně obsahují plazmu a některé ne. Abychom mohli správně odpovědět na tuto otázku, musíme nejprve skutečně striktně definovat, co rozumíme pod pojmem „plazma“. Učebnicová definice plazmatu je ionizovaný plyn. „Ionizovaný plyn“ znamená, že některé elektrony byly zcela odtrženy od atomů, které plyn tvoří. Efektivně uvolněné elektrony jsou záporně nabité a výsledné ionizované atomy jsou nakonec nabité kladně. Ion je atom s nestejným počtem elektronů a protonů. Tato definice je dobrým východiskem, ale není dostatečně přesná. Každý plyn obsahuje několik iontů a uvolněných elektronů, a přesto není každý plyn plazma. Musí existovat nějaký mezní bod, kdy je v plynu dostatek iontů, aby se začal chovat jako plazma.
Co znamená chovat se jako plazma? Plazma je ionizovaný plyn, který odráží nízkofrekvenční elektromagnetické vlny, například rádiové vlny. Popsáno na základnější úrovni, plazma odstíní elektrická pole. Plazma je toho schopno, protože dostatek záporně nabitých elektronů a kladně nabitých iontů je lokálně volný a je schopen se na sebe kolektivně vázat na velké vzdálenosti. Kolektivní chování iontů a elektronů znamená, že jsou schopny silně reagovat na dopadající elektrická pole a pohybovat se tak, aby tato pole vyrušily. Přísnější definice plazmatu je tedy plyn, ve kterém je dostatek uvolněných elektronů a iontů, které se chovají kolektivně. Vzdálenost, kterou může vnější elektrické pole dosáhnout do oblaku nabitých částic, je charakterizována „Debyeovou délkou“. Čím více atomů je ionizováno, tím silnější jsou kolektivní oscilace nábojů a tím menší je Debyeova délka. Nejpřísnější definice plazmatu je tedy ionizovaný plyn s takovou mírou ionizace, že Debyeova délka je výrazně menší než šířka oblaku plynu.
V plameni dochází k ionizaci atomů vzduchu, protože teplota je dostatečně vysoká na to, aby atomy do sebe narážely a odtrhávaly elektrony. Proto v plameni závisí množství ionizace na teplotě. (K ionizaci mohou vést i jiné mechanismy. Například u blesku způsobují ionizaci silné elektrické proudy. V ionosféře způsobuje ionizaci sluneční záření). Podstatné je, že plamen se stává plazmou, pouze pokud se dostatečně zahřeje. Plameny při nižších teplotách neobsahují dostatek ionizace, aby se staly plazmou. Na druhou stranu plamen o vyšší teplotě skutečně obsahuje dostatek uvolněných elektronů a iontů, aby se mohl chovat jako plazma.
Například běžná vosková svíčka má plamen, který hoří při maximální teplotě 1 500 stupňů Celsia, což je příliš málo na to, aby se vytvořilo příliš mnoho iontů. Plamen svíčky proto není plazma. Všimněte si, že zářivé červeno-oranžovo-žluté barvy, které vidíme v plameni, nevznikají v důsledku toho, že plamen je plazma. Tyto barvy spíše vyzařují neúplně spálené částice paliva („saze“), které jsou tak horké, že žhnou jako elektrický topinkovač. Pokud do plamene napumpujete dostatek kyslíku, hoření se dokončí a červenooranžovožlutý plamen zmizí. S ohledem na tuto skutečnost by mělo být jasné, že plamen svíčky vydává světlo, i když se nejedná o plazmu. Na rozdíl od plamene svíčky mohou některé hořící směsi acetylenu dosáhnout 3 100 stupňů Celsia a s tím související Debyeho délka 0,01 milimetru, jak uvádí Koalice pro vědu o plazmatu. Takové plameny jsou tedy plazmatem (pokud je plamen mnohem větší než 0,01 milimetru, což je obvyklé). Jiné plameny, včetně plamenů z táborových ohňů, propanbutanových vařičů a zapalovačů, mají teplotu někde mezi těmito dvěma extrémy, a proto mohou, ale nemusí být plazmou. Každodenní plameny, například z hořícího dřeva, dřevěného uhlí, benzínu, propanu nebo zemního plynu, obvykle nejsou dostatečně horké na to, aby se chovaly jako plazma.
Témata: Debyeova délka, hoření, oheň, plamen, ionizace, plazma, teplota