Les flammes contiennent-elles du plasma

La réponse à cette question est plus compliquée que la plupart des gens ne le pensent. Certaines flammes contiennent du plasma et d'autres non. Pour bien répondre à cette question, nous devons d'abord définir strictement ce que nous entendons par “plasma”. Une définition classique d'un plasma est un gaz ionisé. “Gaz ionisé” signifie que certains électrons ont été complètement arrachés aux atomes qui composent le gaz. Les électrons effectivement libres sont chargés négativement et les atomes ionisés résultants finissent par être chargés positivement. Un “ion” est un atome avec un nombre inégal d'électrons et de protons. Cette définition est un bon point de départ, mais ce n'est pas assez précis. Chaque le gaz contient quelques ions et des électrons libérés, et pourtant tout gaz n'est pas un plasma. Il doit y avoir un point de coupure où il y a suffisamment d'ions dans le gaz pour qu'il commence à agir comme un plasma.

Qu'est-ce que cela signifie d'agir comme un plasma? Un plasma est un gaz ionisé qui réfléchit les ondes électromagnétiques à basse fréquence comme les ondes radio. Décrit à un niveau plus basique, un plasma protège des champs électriques. Un plasma est capable de le faire car suffisamment d'électrons chargés négativement et d'ions chargés positivement sont localement libres et peuvent se lier les uns aux autres à longue distance., manière collective. Le comportement collectif des ions et des électrons signifie qu'ils sont capables de réagir fortement aux champs électriques incidents et de se déplacer pour annuler ces champs. Donc, une définition plus stricte d'un plasma est un gaz où il y a suffisamment d'électrons et d'ions libérés pour qu'ils agissent collectivement. La distance qu'un champ électrique externe peut atteindre dans un nuage de particules chargées est caractérisée par la “Au revoir longueur”. Plus il y a d'atomes ionisés, plus les oscillations collectives des charges sont fortes, et plus la longueur de Debye est petite. La définition la plus stricte d'un plasma est donc un gaz ionisé avec une ionisation suffisante pour que la longueur de Debye soit nettement inférieure à la largeur du nuage de gaz.

Dans une flamme, l'ionisation des atomes de l'air se produit parce que la température est suffisamment élevée pour que les atomes se heurtent et arrachent des électrons. Donc, dans une flamme, la quantité d'ionisation dépend de la température. (D'autres mécanismes peuvent conduire à l'ionisation. Par exemple, dans la foudre, de forts courants électriques provoquent l'ionisation. Dans l'ionosphère, la lumière du soleil provoque l'ionisation.) L'essentiel est qu'une flamme ne devient un plasma que si elle devient suffisamment chaude. Les flammes à des températures plus basses ne contiennent pas suffisamment d'ionisation pour devenir un plasma. D'autre part, une flamme à plus haute température contient en effet suffisamment d'électrons et d'ions libérés pour agir comme un plasma.

Par exemple, une bougie de cire de tous les jours a une flamme qui brûle à une température maximale de 1,500 degré Celsius, qui est trop faible pour créer un très grand nombre d'ions. Une flamme de bougie n'est donc pas un plasma. Notez que les couleurs vibrantes rouge-orange-jaune que nous voyons dans une flamme ne sont pas créées parce que la flamme est un plasma. Plutôt, ces couleurs sont émises par des particules de carburant incomplètement brûlées (“suie”) qui sont si chauds qu'ils brillent comme un élément de grille-pain électrique. Si vous pompez suffisamment d'oxygène dans une flamme, la combustion devient complète et la flamme rouge-orange-jaune s'éteint. Avec ça en tête, il devrait être clair qu'une flamme de bougie émet de la lumière même si ce n'est pas un plasma. Contrairement aux flammes des bougies, certains mélanges brûlants d'acétylène peuvent atteindre 3,100 degré Celsius, avec une longueur Debye associée de 0.01 millimètres, selon la Coalition pour la science du plasma. De telles flammes sont donc des plasmas (tant que la flamme est beaucoup plus grande que 0.01 millimètres, ce qui est généralement le cas). Autres flammes, y compris les flammes des feux de camp, poêles au propane, et briquets, ont des températures qui se situent quelque part entre ces deux extrêmes, et donc peut ou non être du plasma. Les flammes de tous les jours comme celles de la combustion du bois, charbon, de l'essence, propane, ou le gaz naturel ne sont généralement pas assez chauds pour agir comme un plasma.

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