LES PLASMAS


FAITS IMPORTANTS ET QUESTIONS FREQUEMENT POSEES

Sommaire

Généralités

Différentes catégories de plasmas

Récapitulation sur les plasmas spatiaux

Quelques propriétés physiques des plasmas


Généralités

Définition des gaz ionisés et des plasmas

Les gaz ionisés sont des gaz comportant des particules neutres (atomes, molécules) et des particules chargées (électrons, ions). Lorsque la proportion de particules chargées est grande, on parle de plasma.

Un plasma est donc un gaz très ionisé, ou totalement ionisé. On peut dire aussi qu'un gaz ionisé est la réunion d'un gaz neutre, et d'un plasma.

Dans les plasmas naturels (du moins ceux que l'on connait), les ions sont des ions positifs, ce sont des atomes ou des molécules auxquels il manque un ou plusieurs électrons.

Un gaz ionisé est-il un conducteur électrique ?

Oui, et plus le degré d'ionisation est grand, mieux il conduit l'électricité. Le propriétés électromagnétiques des gaz ionisés et les plasmas ne se limitent pas à la conduction électrique.

En effet, lorsque les particules chargées du plasma entrent en mouvement, il se peut que la répartition diffère entre les charges électriques positives et négatives. Ceci qui a pour effet de créer un champ électrique (équation de Poisson). Ce champ électrique va modifier à son tour le courant succeptible de circuler dans le plasma.

De même, un courant électrique dans un plasma va engendrer, comme tous les courants électriques, un champ magnétique. Ce champ magnétique va changer la façon dont les particules chargées se déplacent (force de Lorentz), donc il va changer la répartition des charges et du courant.

Autrement dir, un plasma ne s'apparente pas à une simple résistance électrique, mais plutôt à un circuit électrique extrèmement actif.

Pour décrire théoriquement le comportement d'un plasma il faut à la fois les outils qui permettent de décrire le comportement d'un fluide (équation de Boltzmann, ou équations de la dynamique des fluides -par exemple Navier-Stockes) et les outils qui décrivent les lois de l'électromagnétisme (équations de Maxwell).

Comment allume-t-on un plasma ?

Lorsqu'un électron passe au voisinage d'un ion positif, les forces électriques attractives (car les charges sont opposées) tendent à les rassembler, pour former un ion moins chargé, ou bien un atome ou une molécule neutre. On appelle cela la recombinaison.

Pour maintenir un gaz ionisé ou un plasma, il faut soit empêcher la recombinaison, soit produire de nouvelles paires d'ions et d'électrons.

On peut ioniser un atome ou une molécule par collision avec un électron. Il faut que l'électron soit suffisement rapide. Cela se produit dans l'ionosphère, dans les régions aurorales. C'est aussi comme cela que l'on crée les plasmas des tubes à néon, et plus généralement les plasmas des arcs électriques.

On peut ioniser un atome ou une molécule en lui envoyant un photon. Il faut que l'énergie du photon (c'est à dire sa fréquence) soit assez élevée. Par exemple, pour ioniser un atome d'hydrogène à partir de son état fondamental, il faut lui fournir 13,6 eV. Les photons de lumière visible ne transportent pas assez d'énergie (de 1,7 à 3,2 eV) pour ioniser (à eux seuls) un atome d'hydrogène. Les photons Ultra-Violets dont l'énergie dépasse 13,6 eV peuvent ioniser l'hydrogène atomique.

L'ionisation par des photons ultra-violets est la source principale d'ions et d'électrons dans l'ionosphère. C'est d'ailleurs pour cela que le taux d'ionisation de l'ionosphère est supérieur coté jour que coté nuit.

On peut ioniser un atome en lui envoyant un autre atome, ou bien un noyau atomique. Cela est assez rare dans l'environement de la Terre. C'est ce que font les rayons cosmiques. Le problème, c'est que les rayons cosmiques ont tant d'énergie (du GeV parfois), qu'ils ne se contentent pas d'ioniser les atomes, mais ils cassent également leur noyaux. Ceci est une autre histoire.

On peut empêcher la recombinaison des atomes/molécules en rendant les collisions entre ions et électrons impossibles ou très rares. Lorsqu'un ion passe au voisinage d'un électron, il se produit une collision coulombienne qui les rapproche. Si celle-ci est efficace, l'electron sera alors assez près de l'ion pour que celui-ci capte l'électron. Encore faut-il que l'energie de lélectron (dans le reprère de l'ion) ne soit pas trop grande, afin que l'ion puisse emmagazine temporairement cette énergie. Sinon, l'électron s'en va, ou bien m^eme arrache à l'ion un autre électron, si il lui en reste. Si les particules du gaz ont une grande dispersion en vitesses (c'est à dire si le plasma est chaud), il y a de fortes chances pour que la vitesse relative entre l'électron soit grande, alors les réactions de recombinaisons ne se produiront pas.


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 euqations 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.


Récapitulation sur les plasmas spatiaux

Quelle est la nature du plasma ionosphérique ?

Le plasma ionosphérique est collisionnel, froid, réactif, non-relativiste, principalement ionisé par l'action des rayons ultra-violets provenant du Soleil. Suivant les altitudes, il est mélangé a du gaz neutre, avec lequel il est mécaniquement couplé.

Quelle est la nature du plasma magnétosphérique ?

Le plasma magnétosphérique est un plasma non collisionnel, composé d'électrons, de protons, de traces d'He+, He++, et d'une proportion très variable d'oxygène O+. C'est un plasma non réactif, non thermique, peu ou pas relativiste. C'est un plasma hors équilibre thermodynamique local.

Quelle est la nature du plasma du vent solaire ?

plasma non collisionnel, composé d'électrons, de protons, et de traces He++. C'est un plasma non réactif, non thermique, peu ou pas relativiste. C'est un plasma hors équilibre thermodynamique local.

Quelques propriétés physiques des plasmas

La fréquence plasma

Un plasma est globalement neutre, c'est à dire que dans une petite portion d'espace, la densité de charge électrique est nulle. Que se passe-t-il si on déplace une charge électrique, de façon à ce que la densité de charge locale ne soit pas nulle ?

Dans ce cas, la densité de charge va créer un champ électrique (équation de Poisson). Ce champ électrique va agir comme une force de rappel. Comme les électrons sont les particules les plus légères, c'est eux qui vont se mettre en mouvement le plus rapide. Ils vont se précipiter vers un endroit où ils annulerons la densité de charge électrique. Mais arrivés à cet endroit, ils aurons aquis de la vitesse, et iront un peu plus loin. Un nouveau champ électrique, symétrique du premier se créera, et les électrons feront demi-tour, et ainsi de suite. Bref, le plasma va osciller.

La fréquence de cette oscillation est proportionnelle à la racinbe carrée de la densité d'électrons dans le plasma f= 9 racine(densité électronique), où f est la fréquence est en kHz, et la densité en particules/centimètre cube.

En fait, la densité de charge n'est jamais rigoureusement maintenue, car les particules ne sont pas immobiles, elles ont des vitesses désordonnées d'agitation thermique. Donc la neutralité électrique subira continuellement des petites perturbations. Ces perturbations engendrerons continuellement des oscillations de plasma décrites ci-dessus.

Ainsi, l'agitation thermique du plasma s'accompagne de fluctuations électriques variant à la fréquence plasma.

Une méthode de mesure : Une antenne électrique, suivie d'un analyseur de spectre permettra de retrouver cette fréquence. On en déduira alors la densité du plasma. Cette méthode est courament employée pour mesurer la densité des plasmas, notament à bord des sondes spatiales dédiées à l'étude des plasmas spatiaux.

La longueur de Debye et l'effet d'écran

Les mouvement des électrons du à l'agitation thermique engendre comme on l'a vu ci-dessus des oscillations à la fréquence plasma. L'amplitude du déplacement des électrons au cours de ces oscillations est connue, elle est appelée longueur de Debye.

La longueur de Debye est proportionnelle à la racine carrée de la température divisée par la densitée du plasma.

Dans les plasmas fabriqués en laboratoire, la longueur de Debye est typiquement en dessous de l'ordre du centimètre ou du milimètre. Dans les plasmas produit par des laser dans les expériences de confinement inertiel (recherches sur la fusion controllée), la longueur de Debye est de l'ordre du micromètre.
Dans les plasmas ionosphériques, la longueur de Debye est de l'ordre du centimètre.
Dans les plasmas spatiaux, où la température est élevée et la densité est faible, la longueur de Debye peut atteindre quelques mètres (cas du plasma de la zone aurorale a quelques milliers de kilomètres d'altitude), ou quelques centaines de mètres (dans les lobes de la magnétosphère).

Dans la plupart des plasmas (en tout cas dans tous ceux que je connais), chaque volume dont les dimensions sont de l'ordre de la longueur de Debye continent un très grand nombre de particules>. Même dans le cas des plasmas non-collisionnels.

L'interaction individuelle entre deux particules dont la distance est plus grande que la longueur de Debye est négligeable. Donc, les parties éloignées d'un plasma interagiront par le biais d'interactions collectives. Les interactions collectives se produisent par l'intermédiaire des forces électriques et magnétiques dues à répartition des densités de charge et de courant électrique dans le plasma.

Gaine de plasma

Lorsqu'un plasma est limité par une frontière (par exemple une paroi métalique), il se forme autour de cette frontière une "gaine" ou les propriétés du plasma sont différentes. En général, la gaine n'est pas électriquement neutre, il y a un souvent un surplus d'électrons. Le potentiel électrique peut varier de façon abrupte à travers la gaine de plasma. L'épaisseur de la gaine de plasma est typiquement de l'ordre de la longueur de Debye.

Ainsi, il y a une gaine autour des satellites qui se promènement dans l'espace. Les satellites de basse altitude (comme les stations spatiales, qui ont une altitude voisine de 400 km) sont dans l'ionosphère. Leur gaine a quelques centimètres d'épaisseur. Du fait des fortes variations de potentiel électrique à travers la gaine, il ne faut pas que la surface des satellites ait des élément pointus, car il se produirait alors des décharges élecrtriques, capables d'endomager le satellite (en particulier l'électronique). De tels incidents se sont déja produits.

Quand on fait des mesures de champ électrique à bord de sondes spatiales (sondes ou antennes électriques) il faut tenir compte des modifications du champ électrique dues à la présence de la gaine. C'est un problème difficile à résoudre qui mobilise beaucoup d'expérimentateurs lors de la conception des expériences.

Les ondes dans les plasmas

Dans le vide, on peut avoir des ondes de lumière (qui propagent une variation de champ électrique et de champ magnétique, perpendiculaires l'un à l'autre, à la vitesse "c"). Les ondes radio, infra rouge, ultra-violet, X et gamma sont de même nature, mais correspondent à des ordres de grandeur de fréquence et de longueur d'onde très différents. Dans un gaz, on peut propager des ondes de lumière, à une vitesse généralement inférieure à "c". On peut aussi avoir des ondes sonores. Les ondes sonores propagent une variation de pression du gaz (accompagnée d'une variation de densité et de température).

Dans un plasma, beaucoup d'ondes de nature différentes peuvent se propager.

Du fait qu'un plasma combine les effets électromagnétiques aux mouvement des particules (effets fluides ou cinétiques), en général, tout interagit, et la nature des ondes est en général plus compliquée que dans le vide ou dans les gaw neutres.

Les ondes du lumière existent dans les plasmas, mais pour ne pas interagir avec celui-yci, leur fréquence doit être supérieure à l'inverse du temps que mettent les électrons à réagir sous l'influence d'un champ électrique. Cette fréquence correspond précisemment à la fréquence de plasma mentionnée ci-dessus. Pour des ondes de fréquence plus basse, des ondes électromagnétiques se propagent sur des modes différents et variés.

Il existe des ondes qui propagent un champ électrique mais pas de champ magnétique (ondes électrostatiques). Parmi celles-ci, notons les ondes acoustiques, qui sont des ondes sonores, mais qui propagent, en plus d'une variation de pression, une variation de champ électrique. Ces ondes sont très fréquentes dans la magnétosphère et dans le vent solaire.

Certaines ondes propagent une déformation du champ magnétique, mais un champ électrique proportionellement beaucoup plus faible que pour les ondes de lumière. Ces ondes se propagent plus lentement que les ondes de lumière. Parmi ces ondes, les ondes dites d'Alfvén ne sont pas associées à une perturbation de la pression du plasma. Elles ont été prédites par un physicien suédois, Annes Alfvén, dans les années 1940, mais peu de gens l'ont cru à ce moment là. Actuellement, les ondes d'Alfvén sont observées dans tous les plasmas spatiaux.

Des ondes assez voisines des ondes d'Alfvén propagent une perturbation magnétique accompagnée d'une perturbation de pression. Elles sont à la fois magnétiques et sonores. On les appelle les ondes magnétosonores.


auteur : Fabrice Mottez, de la rédaction du web CETP. version HTML: septembre 1999. Dernière révision : aout 2001.
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