Enthalten Flammen Plasma?

Die Antwort auf diese Frage ist komplizierter, als den meisten Menschen bewusst ist. Einige Flammen enthalten Plasma, andere nicht. Um diese Frage richtig zu beantworten, Wir müssen wirklich zunächst genau definieren, was wir darunter verstehen “Plasma”. Eine Lehrbuchdefinition für ein Plasma ist ein ionisiertes Gas. “Ionisiertes Gas” bedeutet, dass den Atomen, aus denen das Gas besteht, einige Elektronen vollständig entrissen wurden. Die effektiv freien Elektronen sind negativ geladen und die resultierenden ionisierten Atome sind letztendlich positiv geladen. Ein “Ion” ist ein Atom mit einer ungleichen Anzahl von Elektronen und Protonen. Diese Definition ist ein guter Ausgangspunkt, aber es ist nicht genau genug. Jeden Gas enthält einige Ionen und freigesetzte Elektronen, und doch ist nicht jedes Gas ein Plasma. Es muss einen Grenzwert geben, an dem genügend Ionen im Gas vorhanden sind, damit es wie ein Plasma wirkt.

Was bedeutet es, wie ein Plasma zu wirken?? Ein Plasma ist ein ionisiertes Gas, das niederfrequente elektromagnetische Wellen wie Radiowellen reflektiert. Auf einer grundlegenderen Ebene beschrieben, Ein Plasma schirmt elektrische Felder ab. Ein Plasma ist dazu in der Lage, weil genügend negativ geladene Elektronen und positiv geladene Ionen lokal frei sind und sich über große Entfernungen aneinander binden können, kollektiver Weg. Das kollektive Verhalten von Ionen und Elektronen bedeutet, dass sie stark auf einfallende elektrische Felder reagieren und diese Felder aufheben können. Deshalb, Eine strengere Definition eines Plasmas ist ein Gas, in dem genügend freigesetzte Elektronen und Ionen vorhanden sind, um gemeinsam zu wirken. Die Entfernung, die ein externes elektrisches Feld in eine Wolke geladener Teilchen hineinreichen kann, wird durch charakterisiert “Debye-Länge”. Je mehr Atome ionisiert sind, desto stärker sind die kollektiven Schwingungen der Ladungen, und je kleiner die Debye-Länge ist. Die strengste Definition eines Plasmas ist daher ein ionisiertes Gas mit ausreichender Ionisierung, dass die Debye-Länge deutlich kleiner ist als die Breite der Gaswolke.

In einer Flamme, Die Ionisierung der Luftatome erfolgt, weil die Temperatur so hoch ist, dass die Atome aneinander stoßen und Elektronen abreißen. Deshalb, in einer Flamme, Das Ausmaß der Ionisierung hängt von der Temperatur ab. (Andere Mechanismen können zur Ionisierung führen. Zum Beispiel, im Blitz, Starke elektrische Ströme verursachen die Ionisierung. In der Ionosphäre, Sonnenlicht verursacht die Ionisierung.) Die Quintessenz ist, dass eine Flamme nur dann zu einem Plasma wird, wenn sie heiß genug wird. Flammen bei niedrigeren Temperaturen enthalten nicht genügend Ionisierung, um ein Plasma zu bilden. Auf der anderen Seite, Eine Flamme mit höherer Temperatur enthält tatsächlich genügend freigesetzte Elektronen und Ionen, um als Plasma zu wirken.

Beispielsweise, Eine alltägliche Wachskerze hat eine Flamme, die bei einer maximalen Temperatur von brennt 1,500 Grad Celsius, was zu niedrig ist, um sehr viele Ionen zu erzeugen. Eine Kerzenflamme ist daher kein Plasma. Beachten Sie, dass die leuchtenden rot-orange-gelben Farben, die wir in einer Flamme sehen, nicht dadurch entstehen, dass die Flamme ein Plasma ist. Lieber, Diese Farben werden von unvollständig verbrannten Kraftstoffpartikeln abgegeben (“Ruß”) die so heiß sind, dass sie wie ein elektrischer Toaster glühen. Wenn man genügend Sauerstoff in eine Flamme pumpt, Die Verbrennung ist vollständig und die rot-orange-gelbe Flamme erlischt. Mit dieser Einstellung, Es sollte klar sein, dass eine Kerzenflamme Licht abgibt, obwohl es sich nicht um ein Plasma handelt. Im Gegensatz zu Kerzenflammen, bestimmte brennende Gemische von Acetylen erreichen können 3,100 Grad Celsius, mit einer zugehörigen Debye-Länge von 0.01 Millimeter, nach Angaben der Coalition for Plasma Science. Solche Flammen sind daher Plasmen (solange die Flamme viel größer ist als 0.01 Millimeter, was normalerweise der Fall ist). Andere Flammen, einschließlich Flammen von Lagerfeuern, Propanöfen, und Feuerzeuge, haben Temperaturen, die irgendwo zwischen diesen beiden Extremen liegen, und kann daher Plasma sein oder auch nicht. Alltägliche Flammen, beispielsweise beim Verbrennen von Holz, Holzkohle, Benzin, Propan, oder Erdgas sind normalerweise nicht heiß genug, um wie ein Plasma zu wirken.

Kredit:https://wtamu.edu/~cbaird/sq/2014/05/28/do-flames-contain-plasma/