Огонь содержит плазму?

Ответ на этот вопрос сложнее, чем думает большинство людей. Некоторые виды пламени действительно содержат плазму, а некоторые нет. Чтобы правильно ответить на этот вопрос, мы действительно должны сначала четко определить, что мы подразумеваем под «плазмой».

Хрестоматийное определение плазмы — это ионизированный газ. «Ионизированный газ» означает, что некоторые электроны полностью оторваны от атомов, составляющих газ. Фактически свободные электроны заряжаются отрицательно, а образующиеся ионизированные атомы в конечном итоге заряжаются положительно.

«Ион» — это атом с неравным числом электронов и протонов . Это определение является хорошей отправной точкой, но недостаточно точным. Каждый газ содержит несколько ионов и освобожденных электронов, но не каждый газ является плазмой. Должна быть какая-то точка отсечки, где в газе достаточно ионов, чтобы он начал действовать как плазма.

Что значит действовать как плазма? Плазма — это ионизированный газ, который отражает низкочастотные электромагнитные волны, такие как радиоволны. Если описать на более простом уровне, плазма экранирует электрические поля. Плазма способна на это, потому что достаточное количество отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных ионов локально свободны и могут связываться друг с другом коллективным образом на большие расстояния.

Коллективное поведение ионов и электронов означает, что они могут сильно реагировать на падающие электрические поля и двигаться, чтобы нейтрализовать эти поля. Следовательно, более строгое определение плазмы — это газ, в котором имеется достаточно свободных электронов и ионов, чтобы они действовали коллективно.

Расстояние, на которое внешнее электрическое поле может проникнуть в облако заряженных частиц, характеризуется «длиной Дебая». Чем больше атомов ионизировано, тем сильнее коллективные колебания зарядов и тем меньше длина Дебая. Таким образом, самое строгое определение плазмы — это ионизированный газ с достаточной ионизацией, так что длина Дебая значительно меньше ширины газового облака.

 Смотрите также: Открытие 10 фаз плазмы приведет к прогрессу в термоядерном синтезе

В пламени ионизация атомов воздуха происходит потому, что температура достаточно высока, чтобы атомы столкнулись друг с другом и оторвали электроны. Следовательно, в пламени степень ионизации зависит от температуры. (Другие механизмы могут привести к ионизации. Например, при молнии сильные электрические токи вызывают ионизацию. В ионосфере солнечный свет вызывает ионизацию.)

Суть в том, что пламя становится плазмой только в том случае, если оно достаточно нагревается. Пламя при более низких температурах не содержит достаточной ионизации, чтобы превратиться в плазму. С другой стороны, пламя с более высокой температурой действительно содержит достаточно свободных электронов и ионов, чтобы действовать как плазма.

Например, обычная восковая свеча имеет пламя, которое горит при максимальной температуре 1500 градусов по Цельсию, что слишком мало для образования очень большого количества ионов.

Таким образом, пламя свечи — это не плазма. Обратите внимание, что яркие красно-оранжево-желтые цвета, которые мы видим в пламени, не созданы из пламени, являющегося плазмой. Скорее, эти цвета излучаются не полностью сгоревшими частицами топлива («сажей»), которые настолько горячие, что светятся.

Если вы закачаете достаточно кислорода в пламя, сгорание станет полным и красно-оранжево-желтое пламя исчезнет.

Имея это в виду, должно быть ясно, что пламя свечи излучает свет, даже если это не плазма. В отличие от пламени свечи, некоторые горящие смеси ацетилена могут достигать температуры 3100 градусов Цельсия, с соответствующей длиной Дебая 0,01 миллиметра.

Таким образом, такое пламя является плазмой. Другое пламя, в том числе пламя костров, газовых печей и зажигалок, имеет температуру, которая находится где-то между этими двумя крайними значениями, и поэтому может быть плазмой, а может и не быть.

Обычное пламя, например, от сжигания дерева, древесного угля, бензина, пропана или природного газа, обычно недостаточно горячее, чтобы действовать как плазма.