Le fiamme contengono plasma

La risposta a questa domanda è più complicata di quanto la maggior parte delle persone creda. Alcune fiamme contengono plasma e altre no. Per rispondere correttamente a questa domanda, dobbiamo davvero prima definire rigorosamente cosa intendiamo per “plasma”. Una definizione da manuale di plasma è un gas ionizzato. “Gas ionizzato” significa che alcuni elettroni sono stati strappati completamente dagli atomi che compongono il gas. Gli elettroni effettivamente liberi sono caricati negativamente e gli atomi ionizzati risultanti finiscono per caricarsi positivamente. Un “ione” è un atomo con un numero disuguale di elettroni e protoni. Questa definizione è un buon punto di partenza, ma non è abbastanza preciso. Ogni il gas contiene pochi ioni ed elettroni liberati, eppure non tutti i gas sono plasma. Deve esserci un punto limite in cui ci sono abbastanza ioni nel gas da iniziare ad agire come un plasma.

Cosa significa agire come un plasma? Un plasma è un gas ionizzato che riflette le onde elettromagnetiche a bassa frequenza come le onde radio. Descritto a un livello più elementare, un plasma scherma i campi elettrici. Un plasma è in grado di farlo perché un numero sufficiente di elettroni caricati negativamente e ioni caricati positivamente sono localmente liberi e sono in grado di legarsi tra loro a lungo raggio, modo collettivo. Il comportamento collettivo di ioni ed elettroni significa che sono in grado di rispondere fortemente ai campi elettrici incidenti e di muoversi per annullare questi campi. Perciò, una definizione più rigorosa di plasma è un gas in cui ci sono abbastanza elettroni e ioni liberati da agire collettivamente. La distanza che un campo elettrico esterno può raggiungere in una nube di particelle cariche è caratterizzata dalla “Lunghezza Debye”. Più atomi vengono ionizzati, più forti sono le oscillazioni collettive delle cariche, e minore è la lunghezza di Debye. La definizione più rigorosa di plasma è quindi un gas ionizzato con una ionizzazione sufficiente che la lunghezza di Debye sia significativamente inferiore alla larghezza della nuvola di gas.

In una fiamma, la ionizzazione degli atomi d'aria si verifica perché la temperatura è abbastanza alta da far urtare gli atomi l'uno contro l'altro e strappare gli elettroni. Perciò, in una fiamma, la quantità di ionizzazione dipende dalla temperatura. (Altri meccanismi possono portare alla ionizzazione. Per esempio, nei fulmini, forti correnti elettriche provocano la ionizzazione. Nella ionosfera, la luce solare provoca la ionizzazione.) La linea di fondo è che una fiamma diventa un plasma solo se diventa abbastanza calda. Le fiamme a temperature più basse non contengono abbastanza ionizzazione per diventare un plasma. D'altro canto, una fiamma a temperatura più elevata contiene effettivamente abbastanza elettroni e ioni liberati per agire come un plasma.

Per esempio, una candela di cera di tutti i giorni ha una fiamma che brucia a una temperatura massima di 1,500 gradi Celsius, che è troppo basso per creare molti ioni. La fiamma di una candela non è quindi un plasma. Nota che i vibranti colori rosso-arancio-giallo che vediamo in una fiamma non sono creati dal fatto che la fiamma è un plasma. Piuttosto, questi colori sono emessi da particelle di carburante non completamente bruciate (“e la parte blu/bianca sul bordo dove la fiamma incontra l'aria ricca di ossigeno che la circonda”) che sono così caldi da brillare come un tostapane elettrico. Se pompi abbastanza ossigeno in una fiamma, la combustione si completa e la fiamma rosso-arancio-giallo si spegne. Con questo in testa, dovrebbe essere chiaro che la fiamma di una candela emette luce anche se non è un plasma. In contrasto con le fiamme delle candele, possono raggiungere alcune miscele incandescenti di acetilene 3,100 gradi Celsius, con una lunghezza Debye associata di 0.01 millimetri, secondo la Coalition for Plasma Science. Tali fiamme sono quindi plasmi (fintanto che la fiamma è molto più grande di 0.01 millimetri, che di solito è il caso). Altre fiamme, comprese le fiamme dei fuochi, stufe a propano, e accendini, hanno temperature che si trovano da qualche parte tra questi due estremi, e quindi può o non può essere plasma. Fiamme quotidiane come dalla combustione del legno, carbone, benzina, propano, o il gas naturale in genere non è abbastanza caldo da agire come un plasma.

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