Physique des plasmas - Définition et Explications

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Introduction

Description

Le plasma, tout comme le solide, le liquide ou le gaz, est un état de la matière. Il n'est visible sur Terre qu'à très haute température, quand l'énergie est telle qu'elle réussit à arracher des électrons aux atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement constitué d'un...). On observe alors une sorte de « soupe » d'électrons extrêmement actifs dans laquelle « baignent » des noyaux d'atomes.

Le terme plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un plasma qui...), appelé aussi « quatrième état de la matière », a été utilisé en physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) pour la première fois par le physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les forces qui les relient. Le mot physicien dérive du grec, qui...) américain Irving Langmuir en 1928 par analogie avec le plasma sanguin (Le plasma sanguin est le composant liquide du sang, dans lequel les cellules sanguines sont en suspension. Il constitue 55 % du volume total du sang.) auquel ce phénomène s’apparente visuellement.

Dans les conditions usuelles, un milieu gazeux ne permet pas la conduction de l’électricité. Lorsque ce milieu est soumis à un champ électrique (En physique, on désigne par champ électrique un champ créé par des particules électriquement chargées. Un tel champ permet de déterminer en tout point de l'espace la force électrique...) faible, un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz...) pur est considéré comme un isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les isolants thermiques, les isolants phoniques...) parfait, car il ne contient aucune particule chargée libre (électrons ou ions positifs). Les électrons libres et les ions positifs peuvent apparaître si on soumet le gaz à un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) électrique de forte intensité ou à des températures suffisamment élevées, si on le bombarde de particules ou s’il est soumis à un champ électromagnétique (Un champ électromagnétique est la représentation dans l'espace de la force électromagnétique qu'exercent des particules chargées. Concept important de...) très intense.

Lorsque l’ionisation est assez importante pour que le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d’électrons par unité de volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) soit comparable à celui des molécules neutres, le gaz devient alors un fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont des fluides peu compressibles. Dans certaines conditions...) très conducteur qu’on appelle plasma.

À l’origine, un plasma désignait un gaz ionisé globalement neutre, puis cette définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les définitions réelles et les définitions...) a été étendue aux gaz partiellement ionisés dont le comportement diffère de celui d’un gaz neutre. Aujourd'hui, on parle de plasma lorsque la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux....) que l'on observe contient un grand nombre de particules de natures différentes qui peuvent interagir entre elles et avec l'environnement : c'est une soupe d'électrons, cations, anions, atomes neutres, agrégats (clusters)...

Pour caractériser un plasma, il faut tenir compte du nombre d’espèces présentes et de leurs différents états de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être transporté.), puis étudier l’évolution de la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence...), de la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est...) et de la fonction de distribution dans l’espace et en vitesse (On distingue :), ce pour toutes les réactions susceptibles de se produire, qu’elles soient chimiques ou nucléaires, sans oublier les collisions qui peuvent avoir lieu. Si les processus de recombinaison entre électrons et ions n’équilibrent pas le processus d’ionisation, le plasma est dit hors d’équilibre thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur et des machines thermiques ou la science des grands systèmes en équilibre. La première définition est aussi la première...). L’étude complète de tous les phénomènes apparaissant dans un plasma est à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit...) impossible, il en résulte une simplification initiale nécessaire à la distinction et au classement des plasmas.

La physique des plasmas (La physique des plasmas est la branche de la physique qui étudie les propriétés, la dynamique et les applications des plasmas. Un plasma est une phase de la matière...) s'intéresse aussi à la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) des faisceaux d'électrons, de protons, d'ions lourds : les plasmas non neutres. On peut citer entre autres le travail accompli par des physiciens théoriciens sur les plasmas de quarks et de gluons[réf. souhaitée]. La définition physique du mot plasma ainsi étendue est la suivante : Ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) de particules suffisamment excitées pour ne pas pouvoir se combiner de manière stable et former les particules qui sont observées dans l'état fondamental (En physique quantique, les états fondamentaux d'un système sont les états quantiques de plus basse énergie. Tout état d'énergie supérieure à celle des états...).

Pour distinguer ces définitions, le plasma dit de matière est constitué d'électrons et d'ions incapables de former des atomes tandis que le plasma de quarks appelé plasma quark-gluon est formé des quarks incapables de se combiner pour former des neutrons, protons, etc. Un plasma de neutrons et protons est observé lorsque ces particules sont trop excitées pour former des ions.

Cependant, il ne sera question que de plasmas à base d'atomes dans la suite de cet article.

Exemples

Les plasmas sont extrêmement répandus dans l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) puisqu'ils représentent plus de 99% de la matière connue. Toutefois, ils passent presque inaperçus dans notre environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le...) proche, « la Terre », étant données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) leurs conditions d'apparition très éloignées des conditions nécessaires aux besoins de la vie (La vie est le nom donné :) terrestre.

Ainsi on peut distinguer les plasmas naturels et les plasmas industriels :

- les plasmas naturels :

  • les étoiles, nébuleuses gazeuses, quasar (En astronomie, un quasar (pour source de rayonnement quasi-stellaire, quasi-stellar en anglais) est une source d'énergie électromagnétique, incluant la lumière. Les quasars visibles de la Terre montrent...), pulsar ;
  • les aurores boréales ;
  • les éclairs ;
  • l'ionosphère ;
  • le vent solaire (Le vent solaire est un flux de plasma constitué essentiellement d'ions et d'électrons qui sont éjectés de la haute atmosphère du Soleil. Pour les étoiles autres que le...);

- les plasmas industriels :

  • dans les téléviseurs ;
  • les décharges (comme dans un disjoncteur (Un disjoncteur est un organe électromécanique, voire électronique, de protection, dont la fonction est d'interrompre le courant électrique en cas d'incident sur un circuit électrique. Il est...) à haute-tension), ou tube à décharges (lampes, écrans, torche (Une torche est un instrument qui se présente sous la forme d’un bâton que l’on enflamme à une extrémité pour...) de découpe, production de rayon X) ;
  • les plasmas de traitement pour dépôt, gravure, modification de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement...) ou dopage par implantation (Le mot implantation peut avoir plusieurs significations :) ionique ;
  • la propulsion (La propulsion est le principe qui permet à un corps de se mouvoir dans son espace environnant. Elle fait appel à un propulseur qui transforme en force motrice l'énergie fournie par le milieu extérieur ou par un moteur.) par plasmas ;
  • la fusion nucléaire (La fusion nucléaire (dite parfois thermonucléaire) est, avec la fission, l’un des deux principaux types de réactions...) (voir aussi Tokamak, Stellarator et Z-pinch) ;
  • et de nombreuses autres applications qui ne sont encore que des expériences de laboratoire ou des prototypes (radar, amélioration de combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la combustion est vive, elle se traduit par une flamme voire une explosion.), traitement des déchets, stérilisation etc.).
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