Catégorie : Physique
Publié : 28 mai 2014
La réponse à cette question est plus compliquée que la plupart des gens le réalisent. Certaines flammes contiennent effectivement du plasma et d’autres non. Pour répondre correctement à cette question, nous devons vraiment commencer par définir strictement ce que nous entendons par « plasma ». La définition classique d’un plasma est un gaz ionisé. « Un gaz ionisé signifie que certains électrons ont été complètement arrachés aux atomes qui composent le gaz. Les électrons effectivement libérés sont chargés négativement et les atomes ionisés qui en résultent sont chargés positivement. Un « ion » est un atome comportant un nombre inégal d’électrons et de protons. Cette définition est un bon point de départ, mais elle n’est pas assez précise. Tout gaz contient quelques ions et des électrons libérés, et pourtant tout gaz n’est pas un plasma. Il doit par un certain point de coupure où il y a assez d’ions dans le gaz qu’il commence à agir comme un plasma.
Que signifie agir comme un plasma ? Un plasma est un gaz ionisé qui est réfléchissant aux ondes électromagnétiques de basse fréquence comme les ondes radio. Décrit à un niveau plus basique, un plasma fait écran aux champs électriques. Un plasma est capable de faire cela parce qu’un nombre suffisant d’électrons chargés négativement et d’ions chargés positivement sont localement libres et peuvent se lier les uns aux autres de manière collective et à longue distance. Le comportement collectif des ions et des électrons signifie qu’ils sont capables de réagir fortement aux champs électriques incidents et de se déplacer pour annuler ces champs. Par conséquent, une définition plus stricte d’un plasma est un gaz où il y a suffisamment d’électrons et d’ions libérés pour qu’ils agissent collectivement. La distance qu’un champ électrique externe peut atteindre dans un nuage de particules chargées est caractérisée par la « longueur de Debye ». Plus le nombre d’atomes ionisés est élevé, plus les oscillations collectives des charges sont fortes, et plus la longueur de Debye est petite. La définition la plus stricte d’un plasma est donc un gaz suffisamment ionisé pour que la longueur de Debye soit nettement inférieure à la largeur du nuage de gaz.
Dans une flamme, l’ionisation des atomes de l’air se produit parce que la température est suffisamment élevée pour que les atomes s’entrechoquent et arrachent des électrons. Par conséquent, dans une flamme, la quantité d’ionisation dépend de la température. (D’autres mécanismes peuvent conduire à l’ionisation. Par exemple, dans les éclairs, de forts courants électriques provoquent l’ionisation. Dans l’ionosphère, la lumière du soleil provoque l’ionisation). En résumé, une flamme ne devient un plasma que si elle est suffisamment chaude. Les flammes à basse température ne contiennent pas assez d’ionisation pour devenir un plasma. En revanche, une flamme à plus haute température contient effectivement assez d’électrons et d’ions libérés pour agir comme un plasma.
Par exemple, une bougie de cire de tous les jours a une flamme qui brûle à une température maximale de 1 500 degrés Celsius, ce qui est trop bas pour créer beaucoup d’ions. La flamme d’une bougie n’est donc pas un plasma. Notez que les couleurs rouge-orange-jaune vives que nous voyons dans une flamme ne sont pas créées par le fait que la flamme est un plasma. Ces couleurs sont plutôt émises par des particules de combustible incomplètement brûlées (« suie ») qui sont si chaudes qu’elles brillent comme un élément de grille-pain électrique. Si vous injectez suffisamment d’oxygène dans une flamme, la combustion devient complète et la flamme rouge-orange-jaune disparaît. En gardant cela à l’esprit, il devrait être clair qu’une flamme de bougie émet de la lumière même si elle n’est pas un plasma. Contrairement aux flammes de bougie, certains mélanges d’acétylène en combustion peuvent atteindre 3 100 degrés Celsius, avec une longueur de Debye associée de 0,01 millimètre, selon la Coalition for Plasma Science. De telles flammes sont donc des plasmas (pour autant que la flamme soit bien plus grande que 0,01 millimètre, ce qui est généralement le cas). D’autres flammes, comme celles des feux de camp, des poêles à propane et des briquets, ont des températures qui se situent entre ces deux extrêmes et peuvent donc être des plasmas ou non. Les flammes de tous les jours, comme celles provenant de la combustion du bois, du charbon de bois, de l’essence, du propane ou du gaz naturel, ne sont généralement pas assez chaudes pour agir comme un plasma.
Thèmes : Longueur de Debye, combustion, feu, flamme, ionisation, plasma, température
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