8) Je plamen formou plazmatu?

07.02.2004

Dotaz: 1. Chtěl bych se zeptat jestli je plamen formou plazmatu (jestli se zde vyskytují ionty), jestli je to otázka teploty nebo elektromagnetického pole. 2. Četl jsem něco o iontovém motoru, kde se ionty urychlují elektromagnetickým polem a zajímalo by mne, jestli to samé lze udělat i se spalinami chemického motoru - zvýšení rychlosti výtokových plynů a výkonnosti pohonu rakety. Rychlost iontů je asi 10x vyšší než u chemického paliva, ale nemá takovou akceleraci a nelze použít v atmosféře, a já nevím proč. (Petr Zimmermann)Odpověď: 1. Ionty se, např. vlivem kosmického záření, běžně vyskytují i ve vzduchu za pokojové teploty. Pouhý výskyt iontů tedy není dobrým kritériem pro to, aby bylo rozumné nějaké prostředí nazvat plazmatem. Plamen sice obsahuje velké množství iontů (1014 - 1018 v krychlovém metru), ale formou plazmatu bych jej též, z důvodů, jež se pokusím níže vysvětlit, nenazval. Plazma je obyčejně definováno jako navenek neutrální plyn obsahující velké množství kladně i záporně nabitých částic, které se vzájemně ovlivňují elektromagnetickými silami. Přesněji řečeno, lze definovat tři podmínky pro plazma:A. Rozměr plazmatu musí být mnohem větší, než je Debyeova délka, neboli vzdálenost, na které nabité částice elektrostaticky odstíní náboje do plazmatu vložené. Tato vzdálenost je přímo úměrná tepelné rychlosti částic a nepřímo úměrná odmocnině z jejich hustoty. B. Hustota nabitých částic musí být taková, aby v krychli o hraně rovné Debyeově délce byl statisticky významný počet částic, to jest mnohem více, než jednotky. C. Pokud plyn obsahuje i neutrální částice, srážky mezi nimi a nabitými částicemi musí být méně časté než je perioda oscilací působených vzájemným působením elektromagnetických sil mezi nabitými částicemi. V opačném případě by se totiž nabité částice vzájemně neovlivňovaly elektromagnetickými silami, ale pohybovaly pod vlivem srážek s neutrálním plynem. Za onu periodu oscilací zde lze uvažovat periodu elektrostatických plazmových kmitů, jež je nepřímo úměrná odmocnině z hustoty nabitých částic. Na hustotě nabitých a neutrálních částic a na jejich tepelných rychlostech též závisí frekvence jejich vzájemných srážek. Pro odpověď na otázku, je-li plamen formou plazmatu je tedy důležitá nejen teplota ale i hustota nabitých a neutrálních částic. O teplotě plamene přirozeně hořících materiálů mají dobrý přehled hasiči. Následující tabulka je převzata z [1].rašelina, mazut: 1 000 °Cdřevo, hnědé uhlí, ropa, petrolej, motorová nafta: 1 100 °Cčerné uhlí, kaučuk a jeho výrobky, benzín: 1 200 °Cantracit, síra: 1 300 °Chořlavé plyny: 1 300 - 1 500 °Chořčík, elektron: 2 000 °CJak uvádí pplk. Mráz [2], hořící plastová ramínka z tvrzeného polystyrenu mají teplotu plamene až 2210 °C.Co se týče uměle pěstovaného plamene, běžné propan-butanové hořáky dosahují teploty plamene 800-1600 °C. Zemní plyn spalovaný na vzduchu dosahuje teploty asi 2000 °C a v čistém kyslíku asi 2700 °C. Acetyléno-kyslíkový hořák vyvine teplotu 2700-3200 °C a tryska hlavního motoru raketoplánu, napájená kapalným kyslíkem a kapalným vodíkem dosáhne teploty plamene asi 3300 °C [3].Převážná většina nabitých částic vzniká při chemických reakcích spojených s hořením, nikoli tedy přímou tepelnou ionizací. Hustota a druh vzniklých nabitých částic tak velmi závisí na druhu paliva. Při hoření dochází ke vzniku kladných iontů (například CHO+, CH3+, C2H3O+, H3O+), záporných iontů (např. O2-) a elektronů, ale občas též až mikrometrových grafitových částic s kladnými náboji řádu 1000 elementárních nábojů [4,5]). Hustota vniklých nabitých částic je, podle druhu paliva, mezi 1014 m-3 (klasická tuhá paliva [5]) a 1018 m-3 (maximum pro plynná paliva v hořácích a tryskách [4,6]). To ale může být stále ještě zanedbatelná hodnota v porovnání s hustotou neutrálních částic, jež je za pokojové teploty a atmosférického tlaku asi 3*1025 m-3.Z takto shromážděných údajů lze již ověřit, platí-li výše uvedené podmínky A-C pro to, abychom plamen mohli označit jako plazma. Zde zjistíme, že podmínkám A a B plamen většinou vyhoví (Debyeova délka je v řádech od 10-6 do 10-4 m), avšak podmínce C nikoli. Frekvence plazmových kmitů je zde mezi 100 MHz a 10 GHz, což je výrazně méně, než je frekvence srážek mezi elektrony a neutrálními částicemi, jež je v řádech tisíců GHz. Pohyb nabitých částic v plameni je tedy natolik ovlivňován srážkami s neutrálním plynem, že jejich vzájemné elektromagnetické působení je zanedbatelné, a plamen v tomto smyslu nelze nazvat plazmatem. Doporučená literatura:F.F. Chen: Úvod do fyziky plazmatu, Academia, Praha 1984.

úplně to tak není, viz server Aldebaran:

Do plazmatu většinou nezahrnujeme různé svazky nabitých částic (nesplňují kvazineutralitu) a velmi slabě ionizované plyny – například plamen svíčky (nesplňují kolektivní chování).

https://www.aldebaran.cz/astrofyzika/plazma/basics.php

časem snad na to dojde :-)