Kategori: Fysik
Publicerad: Maj 28, 2014
Svaret på denna fråga är mer komplicerat än vad de flesta inser. Vissa lågor innehåller plasma och vissa lågor innehåller inte plasma. För att kunna besvara den här frågan på ett korrekt sätt måste vi verkligen först strikt definiera vad vi menar med ”plasma”. En läroboksdefinition av en plasma är en joniserad gas. ”Joniserad gas” innebär att vissa elektroner har slits bort helt från de atomer som utgör gasen. De effektivt fria elektronerna är negativt laddade och de resulterande joniserade atomerna blir positivt laddade. En ”jon” är en atom med ett ojämnt antal elektroner och protoner. Denna definition är en bra utgångspunkt, men den är inte tillräckligt exakt. Varje gas innehåller några joner och frigjorda elektroner, men ändå är inte varje gas en plasma. Det måste finnas någon brytpunkt där det finns tillräckligt många joner i gasen för att den ska börja bete sig som ett plasma.
Vad innebär det att agera som ett plasma? En plasma är en joniserad gas som är reflekterande för lågfrekventa elektromagnetiska vågor som radiovågor. Beskrivet på en mer grundläggande nivå skyddar en plasma mot elektriska fält. En plasma kan göra detta eftersom tillräckligt många negativt laddade elektroner och positivt laddade joner är lokalt fria och kan binda till varandra på ett långväga, kollektivt sätt. Jonernas och elektronernas kollektiva beteende innebär att de kan reagera starkt på infallande elektriska fält och flytta sig för att upphäva dessa fält. En striktare definition av en plasma är därför en gas där det finns tillräckligt många fria elektroner och joner för att de ska kunna agera kollektivt. Det avstånd som ett yttre elektriskt fält kan nå in i ett moln av laddade partiklar karakteriseras av ”Debye-längden”. Ju fler atomer som joniseras, desto starkare blir laddningarnas kollektiva svängningar och desto mindre blir Debye-längden. Den strängaste definitionen av ett plasma är därför en joniserad gas med tillräckligt mycket jonisering för att Debye-längden ska vara betydligt mindre än gasmolnets bredd.
I en låga sker joniseringen av luftens atomer eftersom temperaturen är tillräckligt hög för att få atomerna att stöta in i varandra och slita av sig elektroner. I en låga beror därför mängden jonisering på temperaturen. (Andra mekanismer kan leda till jonisering. I t.ex. blixtar är det starka elektriska strömmar som orsakar joniseringen. I jonosfären orsakar solljuset joniseringen). Summan av kardemumman är att en låga bara blir en plasma om den blir tillräckligt varm. Lågor vid lägre temperaturer innehåller inte tillräckligt med jonisering för att bli en plasma. Å andra sidan innehåller en flamma vid högre temperaturer faktiskt tillräckligt med frigjorda elektroner och joner för att fungera som ett plasma.
Till exempel har ett vardagligt vaxljus en flamma som brinner vid en maximal temperatur på 1 500 grader Celsius, vilket är för lågt för att skapa särskilt många joner. En ljuslåga är därför inte en plasma. Observera att de livliga röd-orange-gula färgerna som vi ser i en låga inte skapas av att lågan är en plasma. Dessa färger avges snarare av ofullständigt förbrända bränslepartiklar (”sot”) som är så heta att de glöder som ett elektriskt brödrostelement. Om man pumpar in tillräckligt med syre i en låga blir förbränningen fullständig och den röd-orange-gula lågan försvinner. Med detta i åtanke borde det vara klart att en ljuslåga avger ljus även om den inte är en plasma. Till skillnad från ljuslågor kan vissa brinnande acetylenblandningar nå 3 100 grader Celsius, med en tillhörande Debye-längd på 0,01 millimeter, enligt Coalition for Plasma Science. Sådana flammor är därför plasmor (så länge flamman är mycket större än 0,01 millimeter, vilket vanligtvis är fallet). Andra lågor, inklusive lågor från lägereldar, propankaminer och cigarettändare, har temperaturer som ligger någonstans mellan dessa två ytterligheter, och kan därför vara eller inte vara plasma. Vardagslågor, t.ex. från förbränning av ved, träkol, bensin, propan eller naturgas, är vanligtvis inte tillräckligt varma för att fungera som plasma.
Teman: Debye-längd, förbränning, eld, flamma, jonisering, plasma, temperatur