Відповідь на це питання складніша, ніж думає більшість людей. Деякі види полум'я дійсно містять плазму, а деякі ні. Щоб правильно відповісти на це запитання, ми дійсно повинні спочатку чітко визначити, що ми маємо на увазі під «плазмою».
Хрестоматійне визначення плазми - це іонізований газ. «Іонізований газ» означає, що деякі електрони повністю відірвані від атомів, складових газ. Фактично вільні електрони заряджаються негативно, а утворювані іонізовані атоми в кінцевому підсумку заряджаються позитивно.
«Іон» - це атом з нерівним числом електронів і протонів. Це визначення є хорошою відправною точкою, але недостатньо точним. Кожен газ містить кілька іонів і звільнених електронів, але не кожен газ є плазмою. Повинна бути якась точка відсічки, де в газі достатньо іонів, щоб він почав діяти як плазма.
Що означає діяти як плазма? Плазма - це іонізований газ, який відображає низькочастотні електромагнітні хвилі, такі як радіохвилі. Якщо описати на більш простому рівні, плазма екранує електричні поля. Плазма здатна на це, тому що достатня кількість негативно заряджених електронів і позитивно заряджених іонів локально вільні і можуть зв'язуватися один з одним колективним чином на великі відстані.
Колективна поведінка іонів та електронів означає, що вони можуть сильно реагувати на падаючі електричні поля і рухатися, щоб нейтралізувати ці поля. Отже, більш суворе визначення плазми - це газ, в якому є достатньо вільних електронів та іонів, щоб вони діяли колективно. Відстань, на яку зовнішнє електричне поле може проникнути в хмару заряджених частинок, характеризується «довжиною Дебая». Чим більше атомів іонізовано, тим сильніші колективні коливання зарядів і тим менше довжина Дебая. Таким чином, найсуворіше визначення плазми - це іонізований газ з достатньою іонізацією, так що довжина Дебая значно менше ширини газової хмари.
У полум'ї іонізація атомів повітря відбувається тому, що температура досить висока, щоб атоми зіткнулися один з одним і відірвали електрони. Отже, в полум'ї ступінь іонізації залежить від температури. (Інші механізми можуть призвести до іонізації. Наприклад, при блискавці сильні електричні струми викликають іонізацію. В іоносфері сонячне світло викликає іонізацію.)
Суть в тому, що полум'я стає плазмою тільки в тому випадку, якщо воно досить нагрівається. Полум'я при нижчих температурах не містить достатньої іонізації, щоб перетворитися на плазму. З іншого боку, полум'я з більш високою температурою дійсно містить достатньо вільних електронів та іонів, щоб діяти як плазма.
Наприклад, звичайна воскова свічка має полум'я, яке горить при максимальній температурі 1500 градусів за Цельсієм, що занадто мало для утворення дуже великої кількості іонів. Таким чином, полум'я свічки - це не плазма. Зверніть увагу, що яскраві червоно-оранжево-жовті кольори, які ми бачимо в полум'ї, не створені з полум'я, що є плазмою. Швидше, ці кольори випромінюються не повністю згорілими частинками палива («сажею»), які настільки гарячі, що світяться.
Якщо ви закачаєте достатньо кисню в полум'я, згоряння стане повним і червоно-оранжево-жовте полум'я зникне. Маючи це на увазі, повинно бути ясно, що полум'я свічки випромінює світло, навіть якщо це не плазма. На відміну від полум'я свічки, деякі палаючі суміші ацетилену можуть досягати температури 3100 градусів Цельсія, з відповідною довжиною Дебая 0,01 міліметра.
Таким чином, таке полум'я є плазмою. Інше полум'я, в тому числі полум'я багать, газових печей і запальничок, має температуру, яка знаходиться десь між цими двома крайніми значеннями, і тому може бути плазмою, а може і не бути. Звичайне полум'я, наприклад, від спалювання дерева, деревного вугілля, бензину, пропану або природного газу, зазвичай недостатньо гаряче, щоб діяти як плазма.