Categoria: Fisica
Pubblicato: 28 maggio 2014
La risposta a questa domanda è più complicata di quanto la maggior parte delle persone si renda conto. Alcune fiamme contengono plasma e altre no. Per rispondere correttamente a questa domanda, dobbiamo prima definire rigorosamente cosa intendiamo per “plasma”. Una definizione da manuale di un plasma è un gas ionizzato. “Gas ionizzato” significa che alcuni elettroni sono stati strappati completamente dagli atomi che compongono il gas. Gli elettroni effettivamente liberati sono caricati negativamente e gli atomi ionizzati risultanti finiscono per essere caricati positivamente. Uno “ione” è un atomo con un numero ineguale di elettroni e protoni. Questa definizione è un buon punto di partenza, ma non è abbastanza esatta. Ogni gas contiene alcuni ioni ed elettroni liberati, eppure non ogni gas è un plasma. Ci deve essere un punto di cutoff in cui ci sono abbastanza ioni nel gas che inizia ad agire come un plasma.
Cosa significa agire come un plasma? Un plasma è un gas ionizzato che riflette le onde elettromagnetiche a bassa frequenza come le onde radio. Descritto ad un livello più elementare, un plasma scherma i campi elettrici. Un plasma è in grado di fare questo perché abbastanza elettroni a carica negativa e ioni a carica positiva sono localmente liberi e sono in grado di legarsi l’un l’altro in un modo collettivo a lungo raggio. Il comportamento collettivo di ioni ed elettroni significa che sono in grado di rispondere fortemente ai campi elettrici incidenti e muoversi per annullare questi campi. Pertanto, una definizione più rigorosa di plasma è un gas in cui ci sono abbastanza elettroni e ioni liberi che agiscono collettivamente. La distanza che un campo elettrico esterno può raggiungere in una nuvola di particelle cariche è caratterizzata dalla “lunghezza di Debye”. Più atomi sono ionizzati, più forti sono le oscillazioni collettive delle cariche, e più piccola è la lunghezza di Debye. La definizione più rigorosa di un plasma è quindi un gas ionizzato con abbastanza ionizzazione che la lunghezza di Debye è significativamente più piccola della larghezza della nuvola di gas.
In una fiamma, la ionizzazione degli atomi dell’aria avviene perché la temperatura è abbastanza alta da far sbattere gli atomi uno contro l’altro e strappare gli elettroni. Quindi, in una fiamma, la quantità di ionizzazione dipende dalla temperatura. (Altri meccanismi possono portare alla ionizzazione. Per esempio, nei fulmini, forti correnti elettriche causano la ionizzazione. Nella ionosfera, la luce del sole causa la ionizzazione). La linea di fondo è che una fiamma diventa un plasma solo se diventa abbastanza calda. Le fiamme a temperature più basse non contengono abbastanza ionizzazione per diventare un plasma. D’altra parte, una fiamma a temperatura più alta contiene effettivamente abbastanza elettroni e ioni liberati per agire come un plasma.
Per esempio, una candela di cera quotidiana ha una fiamma che brucia ad una temperatura massima di 1.500 gradi Celsius, che è troppo bassa per creare molti ioni. La fiamma di una candela non è quindi un plasma. Si noti che i colori vibranti rosso-arancio-giallo che vediamo in una fiamma non sono creati dal fatto che la fiamma sia un plasma. Piuttosto, questi colori sono emessi da particelle di combustibile non completamente bruciate (“fuliggine”) che sono così calde da brillare come un elemento di un tostapane elettrico. Se si pompa abbastanza ossigeno in una fiamma, la combustione diventa completa e la fiamma rosso-arancione-gialla va via. Con questo in mente, dovrebbe essere chiaro che la fiamma di una candela emette luce anche se non è un plasma. In contrasto con le fiamme delle candele, certe miscele di acetilene che bruciano possono raggiungere i 3.100 gradi Celsius, con una lunghezza di Debye associata di 0,01 millimetri, secondo la Coalition for Plasma Science. Tali fiamme sono quindi plasmi (a condizione che la fiamma sia molto più grande di 0,01 millimetri, che è di solito il caso). Altre fiamme, comprese quelle dei falò, delle stufe a propano e degli accendini, hanno temperature che si trovano da qualche parte tra questi due estremi, e quindi possono essere o non essere plasma. Le fiamme di tutti i giorni, come quelle derivanti dalla combustione di legna, carbone, benzina, propano o gas naturale, non sono in genere abbastanza calde da agire come un plasma.
Temi: Lunghezza di Debye, combustione, fuoco, fiamma, ionizzazione, plasma, temperatura
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