Kategoria: Fizyka
Opublikowano: May 28, 2014
Odpowiedź na to pytanie jest bardziej skomplikowana niż większość ludzi zdaje sobie sprawę. Niektóre płomienie zawierają plazmę, a niektóre nie. Aby prawidłowo odpowiedzieć na to pytanie, tak naprawdę musimy najpierw ściśle zdefiniować, co rozumiemy przez „plazmę”. Podręcznikowa definicja plazmy to zjonizowany gaz. „Zjonizowany gaz” oznacza, że niektóre elektrony zostały całkowicie oderwane od atomów tworzących ten gaz. Pozbawione elektrony są naładowane ujemnie, a powstałe w ten sposób zjonizowane atomy są naładowane dodatnio. Jon” to atom z nierówną liczbą elektronów i protonów. Ta definicja jest dobrym punktem wyjścia, ale nie jest wystarczająco dokładna. Każdy gaz zawiera kilka jonów i uwolnionych elektronów, a jednak nie każdy gaz jest plazmą. Musi istnieć jakiś punkt graniczny, w którym jest wystarczająco dużo jonów w gazie, aby zaczął on działać jak plazma.
Co to znaczy zachowywać się jak plazma? Plazma to zjonizowany gaz, który odbija fale elektromagnetyczne o niskiej częstotliwości, takie jak fale radiowe. Opisując to na bardziej podstawowym poziomie, plazma ekranuje pola elektryczne. Plazma jest w stanie to zrobić, ponieważ wystarczająca ilość ujemnie naładowanych elektronów i dodatnio naładowanych jonów jest lokalnie wolna i jest w stanie wiązać się ze sobą w kolektywny sposób na duże odległości. Kolektywne zachowanie jonów i elektronów oznacza, że są one w stanie silnie reagować na padające pola elektryczne i poruszać się w celu zniwelowania tych pól. Dlatego też, bardziej ścisłą definicją plazmy jest gaz, w którym jest wystarczająco dużo uwolnionych elektronów i jonów, aby działały one kolektywnie. Odległość, na jaką zewnętrzne pole elektryczne może dotrzeć do chmury naładowanych cząstek jest określana jako „długość Debye’a”. Im więcej atomów jest zjonizowanych, tym silniejsze są kolektywne oscylacje ładunków i tym mniejsza jest długość Debye’a. Najściślejsza definicja plazmy to zatem gaz zjonizowany na tyle, że długość Debye’a jest znacznie mniejsza od szerokości chmury gazu.
W płomieniu jonizacja atomów powietrza zachodzi, ponieważ temperatura jest na tyle wysoka, że powoduje wbijanie się atomów w siebie i odrywanie elektronów. Dlatego w płomieniu ilość jonizacji zależy od temperatury. (Inne mechanizmy mogą prowadzić do jonizacji. Na przykład, w piorunach, silne prądy elektryczne powodują jonizację. W jonosferze, światło słoneczne powoduje jonizację). Wniosek jest taki, że płomień staje się plazmą tylko wtedy, gdy jest wystarczająco gorący. Płomienie o niższych temperaturach nie zawierają wystarczającej ilości jonizacji, aby stać się plazmą. Z drugiej strony, płomień o wyższej temperaturze rzeczywiście zawiera wystarczająco dużo uwolnionych elektronów i jonów, aby działać jako plazma.
Na przykład, codzienna świeca woskowa ma płomień, który spala się w maksymalnej temperaturze 1500 stopni Celsjusza, która jest zbyt niska, aby stworzyć bardzo dużo jonów. Płomień świecy nie jest więc plazmą. Zauważ, że żywe czerwono-pomarańczowo-żółte kolory, które widzimy w płomieniu, nie są tworzone przez płomień będący plazmą. Kolory te są raczej emitowane przez niekompletnie spalone cząsteczki paliwa („sadza”), które są tak gorące, że żarzą się jak element elektrycznego tostera. Jeśli wpompujesz do płomienia wystarczającą ilość tlenu, spalanie staje się całkowite i czerwono-pomarańczowo-żółty płomień znika. Biorąc to pod uwagę, powinno być jasne, że płomień świecy daje światło, mimo że nie jest plazmą. W przeciwieństwie do płomieni świec, niektóre płonące mieszaniny acetylenu mogą osiągnąć temperaturę 3100 stopni Celsjusza, przy czym długość Debye’a wynosi 0,01 milimetra, jak podaje Coalition for Plasma Science. Takie płomienie są więc plazmami (o ile płomień jest znacznie większy niż 0,01 milimetra, co zazwyczaj ma miejsce). Inne płomienie, w tym płomienie z ognisk, kuchenek propanowych i zapalniczek, mają temperatury leżące gdzieś pomiędzy tymi dwoma ekstremami i dlatego mogą, ale nie muszą być plazmą. Codzienne płomienie, takie jak ze spalania drewna, węgla drzewnego, benzyny, propanu lub gazu ziemnego, zazwyczaj nie są wystarczająco gorące, aby działać jak plazma.
Tematy: Długość Debye’a, spalanie, ogień, płomień, jonizacja, plazma, temperatura
.