Kategorie: Physik
Veröffentlicht: 28. Mai 2014
Die Antwort auf diese Frage ist komplizierter als den meisten Menschen klar ist. Manche Flammen enthalten Plasma, manche nicht. Um diese Frage richtig zu beantworten, müssen wir zunächst genau definieren, was wir mit „Plasma“ meinen. Die Lehrbuchdefinition eines Plasmas ist ein ionisiertes Gas. „Ionisiertes Gas“ bedeutet, dass einige Elektronen aus den Atomen, aus denen das Gas besteht, vollständig herausgerissen worden sind. Die tatsächlich freien Elektronen sind negativ geladen, und die daraus resultierenden ionisierten Atome sind positiv geladen. Ein „Ion“ ist ein Atom mit einer ungleichen Anzahl von Elektronen und Protonen. Diese Definition ist ein guter Ausgangspunkt, aber sie ist nicht genau genug. Jedes Gas enthält einige Ionen und freigesetzte Elektronen, und dennoch ist nicht jedes Gas ein Plasma. Es muss einen Grenzwert geben, ab dem das Gas so viele Ionen enthält, dass es beginnt, sich wie ein Plasma zu verhalten.
Was bedeutet es, sich wie ein Plasma zu verhalten? Ein Plasma ist ein ionisiertes Gas, das für niederfrequente elektromagnetische Wellen wie Radiowellen reflektierend ist. Einfacher ausgedrückt, schirmt ein Plasma elektrische Felder ab. Ein Plasma ist dazu in der Lage, weil genügend negativ geladene Elektronen und positiv geladene Ionen örtlich frei sind und sich über weite Strecken kollektiv aneinander binden können. Das kollektive Verhalten von Ionen und Elektronen bedeutet, dass sie stark auf einfallende elektrische Felder reagieren und sich bewegen können, um diese Felder auszulöschen. Eine strengere Definition eines Plasmas ist daher ein Gas, in dem genügend freie Elektronen und Ionen vorhanden sind, so dass sie kollektiv wirken. Die Entfernung, die ein äußeres elektrisches Feld in eine Wolke geladener Teilchen hineinreichen kann, wird durch die „Debye-Länge“ beschrieben. Je mehr Atome ionisiert sind, desto stärker sind die kollektiven Schwingungen der Ladungen, und desto kleiner ist die Debye-Länge. Die strengste Definition eines Plasmas ist daher ein ionisiertes Gas, das so stark ionisiert ist, dass die Debye-Länge deutlich kleiner ist als die Breite der Gaswolke.
In einer Flamme findet die Ionisierung der Luftatome statt, weil die Temperatur hoch genug ist, um die Atome dazu zu bringen, sich gegenseitig zu stoßen und Elektronen abzureißen. Daher hängt in einer Flamme der Grad der Ionisierung von der Temperatur ab. (Andere Mechanismen können zur Ionisierung führen. Bei Blitzen zum Beispiel verursachen starke elektrische Ströme die Ionisierung. In der Ionosphäre verursacht das Sonnenlicht die Ionisation.) Im Endeffekt wird eine Flamme nur dann zu einem Plasma, wenn sie heiß genug wird. Flammen mit niedrigeren Temperaturen enthalten nicht genug Ionisierung, um ein Plasma zu werden. Andererseits enthält eine Flamme mit höherer Temperatur tatsächlich genügend freigesetzte Elektronen und Ionen, um als Plasma zu wirken.
Eine gewöhnliche Wachskerze beispielsweise hat eine Flamme, die bei einer maximalen Temperatur von 1.500 Grad Celsius brennt, was zu niedrig ist, um sehr viele Ionen zu erzeugen. Eine Kerzenflamme ist daher kein Plasma. Beachten Sie, dass die leuchtenden rot-orange-gelben Farben, die wir in einer Flamme sehen, nicht dadurch entstehen, dass die Flamme ein Plasma ist. Vielmehr werden diese Farben von unvollständig verbrannten Brennstoffteilchen („Ruß“) ausgestrahlt, die so heiß sind, dass sie wie ein elektrischer Toastereinsatz glühen. Wenn man genügend Sauerstoff in eine Flamme pumpt, ist die Verbrennung vollständig und die rot-orange-gelbe Flamme erlischt. Vor diesem Hintergrund sollte klar sein, dass eine Kerzenflamme Licht abgibt, obwohl sie kein Plasma ist. Im Gegensatz zu Kerzenflammen können bestimmte brennende Acetylengemische laut der Coalition for Plasma Science bis zu 3.100 Grad Celsius erreichen, bei einer zugehörigen Debye-Länge von 0,01 Millimetern. Solche Flammen sind also Plasmen (sofern die Flamme viel größer als 0,01 Millimeter ist, was in der Regel der Fall ist). Andere Flammen, wie z. B. Flammen von Lagerfeuern, Propanöfen und Feuerzeugen, haben Temperaturen, die irgendwo zwischen diesen beiden Extremen liegen, und können daher ein Plasma sein oder auch nicht. Alltägliche Flammen, wie sie bei der Verbrennung von Holz, Holzkohle, Benzin, Propan oder Erdgas entstehen, sind in der Regel nicht heiß genug, um wie ein Plasma zu wirken.
Themen: Debye-Länge, Verbrennung, Feuer, Flamme, Ionisation, Plasma, Temperatur