Category: 物理学
公開。 2014年5月28日
この質問に対する答えは、ほとんどの人が思っているより複雑です。 ある炎はプラズマを含み、ある炎は含まないのです。 この質問に適切に答えるには、本当にまず「プラズマ」とは何かを厳密に定義する必要があります。 プラズマの教科書的な定義は、電離した気体です。 「電離した気体とは、気体を構成する原子から電子の一部が完全にはぎ取られている状態を指します。 電離した電子はマイナスに帯電し、その結果、電離した原子はプラスに帯電します。 イオン」とは、電子と陽子の数が不均等な原子のことです。 この定義は出発点としては良いのですが、十分に正確ではありません。 どんな気体にも数個のイオンと解放された電子が含まれていますが、どんな気体でもプラズマになるわけではありません。
プラズマのように振る舞うとはどういうことでしょうか？ プラズマとは、電波のような低周波の電磁波に反射する電離した気体のことです。 もっと基本的に説明すると、プラズマは電界を遮蔽しているのです。 プラズマは、負電荷の電子と正電荷のイオンが十分に局所的に自由であり、長距離で集団的に結合することができるため、このようなことが可能になるのです。 イオンや電子の集団行動は、入射電界に強く反応し、電界を打ち消すように動くことができることを意味します。 したがって、より厳密には、自由電子やイオンが十分に存在し、それらが集団的に振る舞う気体をプラズマと定義している。 外部電場が荷電粒子の雲に到達できる距離は、「デバイ長」によって特徴づけられる。 電離する原子が多いほど電荷の集団振動が強くなり、デバイ長が小さくなる。
炎では、原子が互いにぶつかり合って電子を引き剥がすのに十分な高温であるため、空気原子の電離が起こります。 したがって、炎では電離の量は温度に依存します。 (その他のメカニズムで電離が起こることもあります。 例えば、雷の場合、強い電流が電離を引き起こします。 電離層では太陽光が電離を起こす) 要するに、炎は十分に高温にならないとプラズマにならないということです。 低温の炎は、プラズマになるための電離を十分に含んでいません。
例えば、普段使っているロウソクの炎は最高温度が1,500℃ですが、これはイオンをたくさん作るには低すぎる温度です。 したがって、ろうそくの炎はプラズマではありません。 なお、炎に見える鮮やかな赤やオレンジ、黄色は、炎がプラズマであるために生まれたものではありません。 この色は、燃料が不完全燃焼してできた粒子（スス）が、電気トースターのように高温で光っているために出ているのです。 炎に十分な酸素を送り込めば、燃焼は完了し、赤やオレンジ、黄色の炎は消えます。 このように考えると、プラズマでなくとも、ろうそくの炎が光を発していることは明らかでしょう。 一方、プラズマ科学連合によると、アセチレンの混合気の燃焼温度は3,100℃、デバイ長は0.01ミリメートルである。 このような炎はプラズマである（炎が0.01ミリメートルよりはるかに大きい限り、通常はプラズマである）。 その他、キャンプファイヤー、プロパンストーブ、ライターなどの炎は、この両極端の中間の温度であるため、プラズマである場合とそうでない場合がある。 薪、炭、ガソリン、プロパン、天然ガスなどの日常的な炎は、通常、プラズマのように作用するほど高温ではありません。
トピックス デバイ長、燃焼、火、炎、イオン化、プラズマ、温度
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