Categoría: Física
Publicado: 28 de mayo de 2014
La respuesta a esta pregunta es más complicada de lo que la mayoría de la gente cree. Algunas llamas sí contienen plasma y otras no. Para responder adecuadamente a esta pregunta, realmente tenemos que definir primero estrictamente lo que entendemos por «plasma». Una definición de libro de texto de un plasma es un gas ionizado. «Gas ionizado» significa que algunos electrones han sido arrancados completamente de los átomos que componen el gas. Los electrones efectivamente libres están cargados negativamente y los átomos ionizados resultantes acaban cargados positivamente. Un «ion» es un átomo con un número desigual de electrones y protones. Esta definición es un buen punto de partida, pero no es lo suficientemente exacta. Todo gas contiene algunos iones y electrones liberados, pero no todo gas es un plasma. Debe haber algún punto de corte en el que haya suficientes iones en el gas para que empiece a actuar como un plasma.
¿Qué significa actuar como un plasma? Un plasma es un gas ionizado que es reflectante a las ondas electromagnéticas de baja frecuencia como las ondas de radio. Descrito en un nivel más básico, un plasma apantalla los campos eléctricos. Un plasma es capaz de hacer esto porque suficientes electrones cargados negativamente e iones cargados positivamente están localmente libres y son capaces de unirse entre sí de una manera colectiva de largo alcance. El comportamiento colectivo de los iones y los electrones significa que son capaces de responder fuertemente a los campos eléctricos incidentes y de moverse para anular estos campos. Por lo tanto, una definición más estricta de un plasma es un gas donde hay suficientes electrones e iones liberados que actúan colectivamente. La distancia que un campo eléctrico externo puede alcanzar en una nube de partículas cargadas se caracteriza por la «longitud de Debye». Cuantos más átomos estén ionizados, más fuertes serán las oscilaciones colectivas de las cargas y menor será la longitud de Debye. La definición más estricta de un plasma es, por tanto, un gas ionizado con suficiente ionización como para que la longitud de Debye sea significativamente menor que la anchura de la nube de gas.
En una llama, la ionización de los átomos del aire se produce porque la temperatura es lo suficientemente alta como para que los átomos choquen entre sí y arranquen electrones. Por lo tanto, en una llama, la cantidad de ionización depende de la temperatura. (Hay otros mecanismos que pueden provocar la ionización. Por ejemplo, en los relámpagos, las fuertes corrientes eléctricas provocan la ionización. En la ionosfera, la luz solar provoca la ionización). La conclusión es que una llama sólo se convierte en plasma si se calienta lo suficiente. Las llamas a bajas temperaturas no contienen suficiente ionización para convertirse en un plasma. Por otro lado, una llama a mayor temperatura sí contiene suficientes electrones e iones liberados para actuar como un plasma.
Por ejemplo, una vela de cera cotidiana tiene una llama que arde a una temperatura máxima de 1.500 grados Celsius, que es demasiado baja para crear muchos iones. Por tanto, la llama de una vela no es un plasma. Tenga en cuenta que los vibrantes colores rojo-naranja-amarillo que vemos en una llama no se crean porque la llama sea un plasma. Más bien, estos colores son emitidos por partículas de combustible («hollín») incompletamente quemadas que están tan calientes que brillan como un elemento de una tostadora eléctrica. Si se bombea suficiente oxígeno a una llama, la combustión se completa y la llama roja-anaranjada-amarilla desaparece. Teniendo esto en cuenta, debe quedar claro que la llama de una vela emite luz aunque no sea un plasma. A diferencia de las llamas de las velas, ciertas mezclas ardientes de acetileno pueden alcanzar los 3.100 grados Celsius, con una longitud de Debye asociada de 0,01 milímetros, según la Coalición para la Ciencia del Plasma. Estas llamas son, por tanto, plasmas (siempre que la llama sea mucho mayor que 0,01 milímetros, como suele ser el caso). Otras llamas, como las de las hogueras, las estufas de propano y los encendedores, tienen temperaturas que se sitúan entre estos dos extremos y, por tanto, pueden ser o no plasma. Las llamas cotidianas, como las de la quema de madera, carbón vegetal, gasolina, propano o gas natural, no suelen estar lo suficientemente calientes como para actuar como un plasma.
Temas: Longitud de Debye, combustión, fuego, llama, ionización, plasma, temperatura
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