LES PLASMAS

Différentes catégories de plasmas

Qu'est-ce qu'un plasma réactif ?

Dans certains plasmas, les rayons ultra-violets, ou les flux d'électrons énergétiques ne contribuent pas seulement à l'ionisation. Ils engendrent des réactions chimiques (par intervention comme constituants, ou par effet catalytique). Ces réactions chimiques peuvent concerner des molécules neutres, ou bien des molécules ionisées.

Les plasmas dans lesquels se produisent des réactions chimiques sont parfois appellés des plasmas réactifs.

La plupart des plasmas rencontrés dans les applications technologiques ou industriels sont réactifs. Dans certains cas, cela est un problème, par exemple dans le cas de la corrosion des électrodes des interupteurs électriques de hautes tension (il y a toujours un petit arc électrique qui se forme lorsque les électrodes se séparent, et ce petit arc est un plasma).

Les plasmas de l'ionosphère sont réactifs. Leur chimie est très étudiée, en particulier la chimie de la couche d'ozone (vers 80 km d'altitude).

Qu'est-ce qu'un plasma thermique ?

On a vu que les collisions entre particules peuvent provoquer de l'ionisation si la différence d'énergie entre les particules est assez grande (de l'ordre de quelques eV), ou bien de la recombinaison, si la différence d'énergie est assez faible. Comme dans un même gaz ionisé, les deux formes de collisions peuvent se produire, un équilibre peut s'établir. Le plasma peut alors se maintenir, sans qu'il soit nécessaire d'envoyer des UV, des faisceaux d'électrons ou bien des arcs électriques. Il suffit pour maintenir cet équilibre que le plasma soit assez chaud. Il faut quand même une température de plusieurs dizaines de milliers de degrés ! En effet, l'ecart d'énergie typique entre deux particules dans un plasma de 11000K est de un eV, et il faut plusieurs eV pour les réactions d'ionisation.

On rencontre des plasmas thermiques dans les explosions nucléaires, et dans les étoiles.

Qu'est-ce qu'un plasma relativiste ?

Plus un plasma est chaud, plus les écarts de vitesse entre les particules qui le composent peuvent atteindre de grandes valeurs. Lorsque les vitesses de certaines particules deviennent relativistes, de nouveaux effets se produisent. On dit que ces plasmas sont relativistes.

En général, les électrons sont les particules dont les mouvements désordonnés (mouvements d'agitation thermique) sont les plus rapides. C'est donc les électrons qui produisent des effets relativistes.

Dans les plasmas de l'environnement terrestre, les effets relativistes sont en général assez faibles. Il existe cependant des cas ou ceux-ci ne peuvent être négligés. Au fait, pourquoi ne parle-on pas de gaz relativiste ?

Qu'est-ce qu'un plasma collisionnel ?

Un plasma collisionnel est un plasma ou, comme dans les gaz ordinaires, les collisions entre particules sont extrèment fréquentes. On mesure la quantité de collisions soit en comptant le nombre de collisions qu'une particule subira en moyenne à chaque seconde (c'est la fréquence de collisions), ou par la distance moyenne parcourue entre deux collisions (c'est le libre parcours moyen).

Tous les fluides collisionnels (gaz neutres, ionisés, plasmas) ont une propriété très importante. Examinons une petite portion d'espace, et mesurons (par la pensée) l'énergie de chaque particule. La répartition statistique en énergie E des particules tend toujours vers une fonction de la forme f(E)= exponentielle(-E/kT), où k est la constante de Boltzmann,et T la température locale.

Cette loi, dite loi de Boltzmann, a de nombreuses conséquences très importantes. Notamment, on peut en déduire que la connaissance en chaque point de l'espace, de la densité, de la vitesse et de la température du fluide permet de le décrire complètement, et en particulier d'en connaitre son mouvement. C'est le fondement des equations de la dynamique des fluides : celles-ci ne font en effet intervenir que la densité, la vitesse et la température (la pression se déduit des autres paramètre via la fonction d'état).

Le fait que l'on puisse définir localament une température (unique) à l'aide d'une loi statistique comme la loi de Boltzmann s'exprime en disant que les fluides collisionnels sont en équilibre thermodynamique local.

Presque tous les plasmas utilisés dans l'industrie sont collisionnels.

Les plasmas de l'ionosphère sont collisionnels.

Quelles sont les particularités d'un plasma non collisionnel ?

Un plasma non collisionnel est un plasma où les collisions sont si rares qu'elles peuvent être négligées. Cela se produit par exemple lorsque le libre parcours moyen est de l'ordre ou plus grand que les dimensions caractéristiques du plasma.

Le plasmas du vent solaire, le plasma de la magnétosphère, et le plasma qui s'echappe de l'ionosphère sont non collisionnels. Le libre parcours moyen du plasma magnétosphérique est de l'ordre de plusieurs dizaines de milliers de kilomètres. Le plasma de la couronne soalire est faiblement collisionnel : une particule du vent solaire aura subi une vingtaine de collisions en traversant la couronne.

La loi de Boltzmann n'est plus vraie dans le cas des plasmas non collisionnels. La connaissance de la densité, de la vitesse et de la température ne suffit plus pour décrire un plasma non collisionnel, ou pour prévoir son évolution. On dit que de tels plasmas sont hors équilibre thermodynamique local.

Entre autres particularités, on peut mélanger deux plasmas non collisionnels de températures différentes, sans qu'ils évoluent vers un plasma des température unique, vérifiant une loi de Boltzmann. Un peu comme si on mélangeait de l'eau chaude et de l'eau froide dans une baignoire sans que cela fasse de l'eau tiède.

C'est ce qui se passe lorsque le plasma ionosphérique (froid, seulement 10000K!) et le plasma du vent solaire (chaude, un million de K) se mélangent dans la magnétosphère. Cela ne fait pas un plasma tiède.

Il est néanmoins possible de définir une température dans un plasma non collisionnel : c'est l'écart type de la fonction de distribution en vitesses. Au cas ou le plasma non collisionnel est en equilibre thermodynamique local (ce n'est pas obligatoire, mais cela peut arriver), les deux températures (Boltzmann et ecart type) coincident. Dans le cas hors de l'équilibre thermodynamique, la température (écart type) existe, mais elle ne suffit pas, avec la densité et la vitesse, à prévoir l'évolution du plasma.

Pour qu'un plasma soit réactif ou thermique, il faut qu'il y ait des collisions entre les particules. Un plasma non collisionnel n'est donc ni réactif, ni thermique.

auteur : Fabrice Mottez version HTML: septembre 1999. Dernière révision : aout 2001.
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