Physique des plasmas - Définition

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. On observe alors une sorte de « soupe » d'électrons extrêmement actifs dans laquelle « baignent » des noyaux d'atomes.

Le terme plasma, appelé aussi « quatrième état de la matière », a été utilisé en physique pour la première fois par le physicien américain Irving Langmuir en 1928 par analogie avec le plasma sanguin 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 faible, un gaz pur est considéré comme un isolant 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 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 très intense.

Lorsque l’ionisation est assez importante pour que le nombre d’électrons par unité de volume soit comparable à celui des molécules neutres, le gaz devient alors un fluide très conducteur qu’on appelle plasma.

À l’origine, un plasma désignait un gaz ionisé globalement neutre, puis cette définition 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 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, puis étudier l’évolution de la densité, de la température et de la fonction de distribution dans l’espace et en vitesse, 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. L’étude complète de tous les phénomènes apparaissant dans un plasma est à ce jour impossible, il en résulte une simplification initiale nécessaire à la distinction et au classement des plasmas.

La physique des plasmas s'intéresse aussi à la dynamique 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 de particules suffisamment excitées pour ne pas pouvoir se combiner de manière stable et former les particules qui sont observées dans l'état fondamental.

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 différents plasmas en fonction de leur température par rapport à leur densité. (Attention : les flammes ne forment pas un plasma. ceci est à vérifer: voir discussion)

Les plasmas sont extrêmement répandus dans l'Univers puisqu'ils représentent plus de 99% de la matière connue. Toutefois, ils passent presque inaperçus dans notre environnement proche, « la Terre », étant données leurs conditions d'apparition très éloignées des conditions nécessaires aux besoins de la vie terrestre.

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

- les plasmas naturels :

• les étoiles, nébuleuses gazeuses, quasar, pulsar ;
• les aurores boréales ;
• les éclairs ;
• l'ionosphère ;
• le vent solaire;

- les plasmas industriels :

• dans les téléviseurs ;
• les décharges (comme dans un disjoncteur à haute-tension), ou tube à décharges (lampes, écrans, torche de découpe, production de rayon X) ;
• les plasmas de traitement pour dépôt, gravure, modification de surface ou dopage par implantation ionique ;
• la propulsion par plasmas ;
• la fusion nucléaire (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, traitement des déchets, stérilisation etc.).