Categorie: Natuurkunde
gepubliceerd: May 28, 2014
Het antwoord op deze vraag is gecompliceerder dan de meeste mensen beseffen. Sommige vlammen bevatten wel plasma en sommige vlammen niet. Om deze vraag goed te kunnen beantwoorden, moeten we eigenlijk eerst strikt definiëren wat we bedoelen met “plasma”. Een definitie uit het tekstboek van een plasma is een geïoniseerd gas. “Geïoniseerd gas’ betekent dat sommige elektronen volledig zijn losgerukt van de atomen waaruit het gas bestaat. De effectief vrijgemaakte elektronen zijn negatief geladen en de resulterende geïoniseerde atomen zijn positief geladen. Een “ion” is een atoom met een ongelijk aantal elektronen en protonen. Deze definitie is een goed uitgangspunt, maar is niet precies genoeg. Elk gas bevat een paar ionen en bevrijde elektronen, en toch is niet elk gas een plasma. Er moet een grens zijn waar er genoeg ionen in het gas zijn dat het zich begint te gedragen als een plasma.
Wat betekent het om zich als een plasma te gedragen? Een plasma is een geïoniseerd gas dat weerkaatst wordt door laagfrequente elektromagnetische golven zoals radiogolven. Op een meer elementair niveau beschreven, schermt een plasma elektrische velden af. Een plasma is hiertoe in staat omdat voldoende negatief geladen elektronen en positief geladen ionen plaatselijk vrij zijn en zich op een collectieve manier over lange afstand aan elkaar kunnen binden. Het collectieve gedrag van ionen en elektronen betekent dat zij in staat zijn sterk te reageren op invallende elektrische velden en te bewegen om deze velden op te heffen. Daarom is een striktere definitie van een plasma een gas waarin er voldoende vrijgemaakte elektronen en ionen zijn dat zij collectief handelen. De afstand die een extern elektrisch veld kan bereiken in een wolk van geladen deeltjes wordt gekarakteriseerd door de “Debye-lengte”. Hoe meer atomen geïoniseerd zijn, hoe sterker de collectieve oscillaties van de ladingen, en hoe kleiner de Debye-lengte. De meest strikte definitie van een plasma is daarom een geïoniseerd gas met voldoende ionisatie dat de Debye-lengte beduidend kleiner is dan de breedte van de gaswolk.
In een vlam treedt ionisatie van de luchtatomen op omdat de temperatuur hoog genoeg is om de atomen tegen elkaar te laten botsen en elektronen af te scheiden. Daarom is in een vlam de hoeveelheid ionisatie afhankelijk van de temperatuur. (Andere mechanismen kunnen tot ionisatie leiden. Bijvoorbeeld, in bliksem, veroorzaken sterke elektrische stromen de ionisatie. In de ionosfeer veroorzaakt zonlicht de ionisatie). Waar het op neerkomt is dat een vlam pas een plasma wordt als hij heet genoeg wordt. Vlammen bij lagere temperaturen bevatten niet genoeg ionisatie om een plasma te worden. Daarentegen bevat een vlam bij hogere temperaturen wel voldoende vrijgemaakte elektronen en ionen om als plasma te fungeren.
Bijv. een alledaagse waskaars heeft een vlam die brandt bij een maximumtemperatuur van 1.500 graden Celsius, wat te laag is om veel ionen te creëren. Een kaarsvlam is daarom geen plasma. Merk op dat de levendige rood-oranje-gele kleuren die we in een vlam zien, niet ontstaan doordat de vlam een plasma is. Deze kleuren worden eerder uitgezonden door onvolledig verbrande brandstofdeeltjes (“roet”) die zo heet zijn dat ze gloeien als een elektrisch broodroosterelement. Als je genoeg zuurstof in een vlam pompt, wordt de verbranding compleet en verdwijnt de rood-oranje-gele vlam. Met dit in gedachten zou het duidelijk moeten zijn dat een kaarsvlam licht geeft, ook al is het geen plasma. In tegenstelling tot kaarsvlammen kunnen bepaalde brandende mengsels van acetyleen 3.100 graden Celsius bereiken, met een bijbehorende Debye-lengte van 0,01 millimeter, volgens de Coalition for Plasma Science. Dergelijke vlammen zijn dus plasma’s (zolang de vlam veel groter is dan 0,01 millimeter, wat meestal het geval is). Andere vlammen, waaronder die van kampvuren, propaanfornuizen en sigarettenaanstekers, hebben temperaturen die ergens tussen deze twee uitersten liggen, en kunnen dus al dan niet plasma zijn. Alledaagse vlammen, zoals bij het verbranden van hout, houtskool, benzine, propaan of aardgas, zijn meestal niet heet genoeg om als plasma te werken.
Onderwerpen: Debye lengte, verbranding, vuur, vlam, ionisatie, plasma, temperatuur