Kategori: Fysik
Publiceret: May 28, 2014
Svaret på dette spørgsmål er mere kompliceret, end de fleste mennesker er klar over. Nogle flammer indeholder plasma, og nogle flammer indeholder ikke plasma, og andre flammer gør ikke. For at besvare dette spørgsmål korrekt er vi virkelig nødt til først at definere strengt, hvad vi mener med “plasma”. En lærebogsdefinition af et plasma er en ioniseret gas. “Ioniseret gas” betyder, at nogle elektroner er blevet revet helt ud af de atomer, som gassen består af. De effektivt frigjorte elektroner er negativt ladede, og de resulterende ioniserede atomer ender med at være positivt ladede. En “ion” er et atom med et ulige antal elektroner og protoner. Denne definition er et godt udgangspunkt, men den er ikke præcis nok. Enhver gas indeholder nogle få ioner og frigjorte elektroner, og alligevel er det ikke alle gasser, der er et plasma. Der må ved et eller andet afskæringspunkt være tilstrækkeligt mange ioner i gassen til, at den begynder at opføre sig som et plasma.
Hvad betyder det at opføre sig som et plasma? Et plasma er en ioniseret gas, der er reflekterende over for lavfrekvente elektromagnetiske bølger som f.eks. radiobølger. Beskrevet på et mere grundlæggende niveau skærmer et plasma af for elektriske felter. Et plasma er i stand til at gøre dette, fordi tilstrækkeligt mange negativt ladede elektroner og positivt ladede ioner er lokalt frie og er i stand til at binde sig til hinanden på en langtrækkende, kollektiv måde. Ionernes og elektronernes kollektive adfærd betyder, at de er i stand til at reagere kraftigt på indfaldende elektriske felter og bevæge sig for at ophæve disse felter. Derfor er en strengere definition af et plasma en gas, hvor der er tilstrækkeligt mange frie elektroner og ioner til, at de optræder kollektivt. Den afstand, som et eksternt elektrisk felt kan nå ind i en sky af ladede partikler, er karakteriseret ved “Debye-længden”. Jo flere atomer, der er ioniseret, jo stærkere er de kollektive svingninger af ladningerne, og jo mindre er Debye-længden. Den strengeste definition af et plasma er derfor en ioniseret gas med tilstrækkelig ionisering til, at Debye-længden er betydeligt mindre end bredden af gasskyen.
I en flamme sker ionisering af luftens atomer, fordi temperaturen er høj nok til at få atomerne til at støde ind i hinanden og rive elektroner af sig. I en flamme afhænger ioniseringsmængden derfor af temperaturen. (Andre mekanismer kan føre til ionisering. I lynnedslag er det f.eks. stærke elektriske strømme, der forårsager ioniseringen. I ionosfæren er det sollyset, der forårsager ioniseringen). Det vigtigste er, at en flamme kun bliver til et plasma, hvis den bliver varm nok. Flammer ved lavere temperaturer indeholder ikke nok ionisering til at blive til et plasma. På den anden side indeholder en flamme ved højere temperaturer faktisk nok frigjorte elektroner og ioner til at fungere som et plasma.
For eksempel har et almindeligt vokslys en flamme, der brænder ved en maksimal temperatur på 1.500 grader Celsius, hvilket er for lavt til at skabe ret mange ioner. En stearinlysflamme er derfor ikke et plasma. Bemærk, at de levende rød-orange-gule farver, som vi ser i en flamme, ikke er skabt af, at flammen er et plasma. Disse farver udsendes snarere af ufuldstændigt forbrændte partikler af brændstof (“sod”), der er så varme, at de gløder som et elektrisk brødristerelement. Hvis man pumper nok ilt ind i en flamme, bliver forbrændingen fuldstændig, og den rød-orange-gule flamme forsvinder. Med dette i baghovedet burde det være klart, at en stearinlysflamme afgiver lys, selv om den ikke er et plasma. I modsætning til stearinlysflammer kan visse brændende acetylenblandinger nå op på 3.100 grader Celsius med en tilhørende Debye-længde på 0,01 millimeter, ifølge Coalition for Plasma Science. Sådanne flammer er derfor plasmaer (så længe flammen er meget større end 0,01 millimeter, hvilket normalt er tilfældet). Andre flammer, herunder flammer fra lejrbål, propanovne og cigarettændere, har temperaturer, der ligger et sted mellem disse to ekstremer, og er derfor måske eller måske ikke plasmaer. Hverdagsflammer som f.eks. fra afbrænding af træ, trækul, benzin, propan eller naturgas er typisk ikke varme nok til at virke som et plasma.
Temaer: Debye-længde, forbrænding, ild, flamme, ionisering, plasma, temperatur