État plasma

L'état plasmaest unétat de la matière,tout comme l'état solide,l'état liquideou l'état gazeux,bien qu'il n'y ait pas detransition brusquepour passer d'un de ces états au plasma ou réciproquement. Il est visible surTerre,à l'état naturel, le plus souvent à des températures élevées favorables aux ionisations, signifiant l’arrachementd'électronsauxatomes.On observe alors une sorte de « soupe » d'électrons extrêmement actifs, dans laquelle « baignent » également desionsou des molécules neutres. Bien que globalement électriquement neutre, le plasma est composé d’électrons et d’ions ce qui le rend très sensible à l'action dechamps électrique,magnétiqueetélectromagnétique(internes comme externes) et ce qui rend sa dynamique, en général, d'une grande complexité. De plus, les propriétés chimiques de cet état sont assez différentes de celles des autres états; elles sont parfois dites « exotiques ». Les exemples de plasmas les plus courants sur Terre sont les flammes de haute température et la foudre.

Le soleil est une boule de plasma.

Lampe à plasma.

Les flammes de haute température sont des plasmas.

Le terme « plasma » (on parle aussi de « quatrième état de la matière ») a été utilisé en physique pour la première fois par lephysicienaméricainIrving Langmuiren 1928,paranalogieavec leplasma sanguin.La branche qui l'étudie est laphysique des plasmas.

Formation d'un plasma

Dans les conditions usuelles, un milieu gazeux ne conduit pas l’électricitécar il ne contient quasiment aucune particule chargée libre (électrons ou ions). Lorsque ce milieu est soumis à un champ électrique faible, il reste un isolant électrique car il n’y a pas d’augmentation du nombre de particules chargées. Mais si le gaz est soumis à un fortchamp électrique(par exemple, 30kV/cmpour l'airà la pression atmosphérique), des électrons libres et des ions positifs peuvent apparaître en quantité significative de telle sorte que le gaz devienne conducteur.

Lorsque l’ionisationest suffisamment importante pour que le nombre d’électrons par unité de volume (n_e) ne soit pas négligeable par rapport à celui des atomes neutres (n_n), le gaz devient alors un fluide conducteur appelé plasma dont le degré d’ionisation est défini par la formule:

$\tau ={\frac {n_{e}}{n_{e}+n_{n}}}$

qui est l’un des paramètres importants pour caractériser un plasma.

Les particules chargées électriquement qui composent le plasma sont soumises auxforces de Laplace.Le fluide est donc sensible auxchamps magnétiqueset peut, par exemple, être dévié ou déformé par un champ magnétique (aimant par exemple).

Typiquement, l'énergie d'ionisationd'un atome ou d’une molécule est de quelquesélectronvolts(eV). La température nécessaire pour former un plasma enéquilibre thermodynamique(généralement local) est donc celle à partir de laquelle l'énergie thermique,qui peut être estimée par le produitkT,atteint cet ordre de grandeur, c'est-à-dire lorsquekT≈1eV,soit une température d'environ11 000K.

Classifications de plasmas

Il existe une très grande diversité de plasmas, distingués par au moins une de leurs propriétés.

Par exemple, si ledegré d’ionisationest considéré, les plasmas sont classés en « plasmas chauds » et « plasmas froids ». Les plasmas fortement ionisés sont nommés « plasmas chauds » par opposition des plasmas faiblement ionisés, dit plasmas froids.

L’échelle de température des plasmas va de la température ambiante à plusieurs millions dekelvinpour un plasma defusion thermonucléaire.Unplasma d’arcd’environ10 000Kfait ainsi partie de la famille des plasmas froids.

Ceci étant dit, les frontières ne sont pas bien définies et parfois, d’autres familles comme celle des « plasmas naturels » sont définies à côté des deux familles susmentionnées. Par exemple, l’objectif de la division plasmas de laSociété française de physique(SFP) est de rassembler la communauté des physiciens des trois grands domaines des plasmas (naturels, chauds ou de fusion, froids ou industriels).

• Selon lapression,on distingue les plasmas « à haute pression » (dont les plasmas àpression atmosphérique) et ceux « à basse pression » (par exemple lesplasmas de gravure en microélectronique).
• Selon l’équilibre thermodynamique(généralement local) atteint ou non, les plasmas se classent dans les « plasmas en équilibre » et les « plasmas hors équilibre (nonequilibrium) ».
• Selon latempérature des espèces lourdes,les plasmas froids se divisent en plasmas thermiques et non thermiques.
• Selon lanature de la source d’énergiepour la production de plasma, on distingue les plasmas DC, les plasmas RF, les plasmas micro-ondes, les plasmas transitoires, laser plasma…
• Selon laconfiguration électro-mécanique,les plasmas couronnes, les plasmas DBD…

Exemples

Les différents plasmas en fonction de leur température par rapport à leurdensité.

Les plasmas sont extrêmement répandus dans l'Universpuisqu'ils représentent plus de 99 % de lamatière ordinaire.Toutefois, ils passent presque inaperçus dans notre environnement proche, étant donné leurs conditions d'apparition très éloignées des conditions de température et de pression de l'atmosphère terrestre.

Plasma de laboratoire formé sous basse pression par une haute tension électrique (600 V) dans un tube en verre. Le fluide est déformé par un aimant permanent en vertu des forces de Laplace.

Ainsi, on distingue les plasmas naturels:

• leplasma astrophysique;
• lesétoiles,nébuleusesgazeuses,quasar,pulsar;
• lesaurores boréales;
• lafoudre;
• l'ionosphère;
• levent solaire;
• la queue descomètes;
• la traînée desétoiles filantes;
• le cœur des flammes

et les plasmas industriels:

• lesdécharges électriques(arcs comme dans lesdisjoncteurs à haute-tensionou les torches, ou d'autres types de décharges comme dans les lampes à gaz, les décharges micro-ondes, ou les générateurs derayon X);
• les plasmas de traitement pour dépôt, gravure, modification de surface ou dopage parimplantation ionique;
• dans certains types detéléviseurs;
• lapropulsion par plasmas;
• lafusion nucléaire(qui concerne les machines de typetokamak,stellarator,Z-pinch...).

Plasmas spécifiques et applications

De nombreuses autres applications ne sont encore que des expériences de laboratoire ou des prototypes (radar,amélioration de combustion, stérilisation,etc.):

• plasma quarks-gluons,un état de la matière où les quarks et les gluons ne sont plus confinés dans des particules, mais libres;
• plasma astrophysique,une matière qui représente la grande proportion de l'espace en dehors des galaxies, étoiles et planètes;
• plasma de fusion,créé avec des lasers ou autres rayonnements;
• plasma stealth,utilisation de plasma dans la recherche de la furtivité;
• lampe à plasma,qui utilise la luminosité du plasma;
• écran à plasma,écran plat dont la lumière est créée par duphosphoreexcité par une impulsion électrique à plasma;
• torche à plasma,méthode de génération de plasma utilisée dans différentes applications (en chimie,traitement des déchets,etc.);
• accélération laser-plasma,méthode de production de faisceaux d'électrons.

Dans la culture populaire

Dans de nombreuses œuvres de sciences fiction, telle queStar Wars,HaloetTransformers,le plasma et les plasmoïdes sont à la base d'armes imaginaires, souvent similaires aufocalisateur de plasma dense(« canon à plasma »).

Durant les années 2010, la création de plasma à partir de raisins chauffés dans un four à micro-ondes domestique est devenue une expérience populaire répandue^{[source insuffisante]}.En 2019, ce phénomène a été expliqué de manière rigoureuse.Les raisins étant assimilables à de petite sphères à forte teneur en eau, la longueur des micro-ondes auxquelles on les expose est modifiée et l'énergie se concentre au centre du fruit. Lorsque deux raisins ainsi irradiés sont placés côte à côte, un transfert d'électron se produit dans le petit espace qui sépare les deux fruits, ce qui produit l'apparition de plasma.

Notes et références

Voir aussi

Bibliographie

• [Tonks 1967](en)LewiTonks,«The birth ofplasma»,American Journal of Physics,vol.35,n^o9,‎septembre 1967,p.857-858(DOI10.1119/1.1974266,Bibcode1967AmJPh..35..857T).
• [Franklin et Braithwaite 2019](en)Raoul N.Franklinet Nicholas St J.Braithwaite,«Editorial:80 yearsof plasma»,Plasma Sources Science and Technology(en),vol.18,n^o1«80 yearsof plasma: a collection of reviews and research articles celebrating the 80th anniversary of Irving Langmuir's coining of the wordplasma»,‎février 2019,art.n^o010201,3p.(OCLC4843704287,DOI10.1088/0963-0252/18/1/010201,Bibcode2009PSST...18a0201F).
• [Langmuir 1928](en)IrvingLangmuir,«Oscillations in ionized gases»,Proceedings of the National Academy of Sciences,vol.18,n^o8,‎1^eraoût 1928,p.627-637(OCLC5554111442,PMID16587379,PMCIDPMC1085653,DOI10.1073/pnas.14.8.627,JSTOR85270,Bibcode1928PNAS...14..627L).

Articles connexes

• Actionneur de plasma
• Électron
• État de la matière
• Gaz
• Lampe à plasma
• Physique des plasmas
• Torche à plasma