La physique des plasmas

Introduisons une nouvelle branche de la physique que je n'avais encore jamais évoqué sur ce blog. La physique des plasmas est une partie de la physique à l'interface entre de nombreuses disciplines comme la mécanique quantique, la physique statistique, la physique atomique, la thermodynamique ... . C'est une partie de la physique dont on parle assez peu je trouve mais dont le nombre d'applications dans la vie de tous les jours est impressionnant ! On utilise les plasmas dans de très nombreuses situations à des fins bien différentes.

Donc aujourd'hui on va aborder tranquillement ce domaine de la physique et on va voir ce qu'est globalement un plasma physique et puis pourquoi pas dans la suite on pourra développer un peu plus en détail le sujet et voir quelles sont les nombreuses surprises que nous cachent les plasmas 😉

Qu'est ce qu'un plasma ?

Un plasma est un gaz ionisé, c'est à dire un gaz qui est neutre globalement mais qui en regardant de plus près est composé d'ions positifs et d'électrons libres. Ce phénomène se présente lorsque les électrons des couches supérieures des atomes qui composent le gaz sont arrachés, ils acquièrent une énergie cinétique qui les permettent de se libérer de la force d'attraction coulombienne du noyau. Cette énergie se présente en grande partie sous la forme de chaleur.

On a alors un bain contenant des ions caractérisés par une certaine agitation thermique et des électrons qui possèdent indépendamment des ions une énergie d'agitation thermique. Autrement dit, on peut caractériser notre plasma par deux températures : T_e la température des électrons et T_i la température des ions.

De manière plus précise, on associe à un plasma certaines caractéristiques fondamentales :

  • La notion de quasi-neutralité : Un plasma est globalement neutre bien qu'il soit chargé électriquement à l'échelle microscopique.
  • La frontière du plasma : A l'échelle macroscopique, le plasma se comporte pratiquement de la même manière qu'un gaz "normal" dans le sens ou il se dilate de façon à atteindre un équilibre de température et pression. Cependant, à la différence d'un gaz, le plasma possède une frontière chargée négativement électriquement. Cette "frontière" négative vient du fait que les électrons libres se dilatent dans l'espace - grâce à leur faible masse - bien plus que les ions positifs. En fait on a bien souvent T_e>>T_i. Ce qui signifie que la pression électronique est supérieure à la pression ionique d'où cette dilatation plus prononcée. Dans le même temps, les ions ont tendance à attirer les électrons à travers l'interaction coulombienne. La conséquence est la formation d'une "peau" électronique caractérisée par l'épaisseur  :

\lambda = \sqrt{\frac{\varepsilon_0k_BT_e}{n_e^2}}

avec \varepsilon_0 = 8.85\times10^{-12}~[SI] la permittivité diélectrique du vide, k_B = 1.38\times10^{-23}~J.K^{-1} la constante de Boltzmann et n_e la densité d'électrons dans le plasma en nombre d'électrons par mètres cube. Si cette formule vous semble compliqué ne vous inquiétez pas je la donne juste pour information, vous pourrez quand même comprendre la suite 🙂

  • La fréquence plasma : Le plasma possède une sorte de fréquence propre de vibration ou fréquence de résonance que l'on appelle aussi la fréquence de Langmuir du nom de son physicien découvreur qui est donnée par :

\omega_p = \sqrt{\frac{n_e e^2}{\varepsilon_0m_e}}

m_e = 9.1\times10^{-31}~kg est la masse d'un électron.

En fait, le plasma se comporte comme un filtre passe haut. C'est à dire que lorsqu'il est traversé par une onde électromagnétique de fréquence \omega, il la réfléchi si \omega < \omega_p (elle rebrousse chemin), et la laisse passer si \omega > \omega_p.

Un exemple concret de la fréquence de Langmuir est l'utilisation de l'ionosphère pour les télécommunications. L'ionosphère constitue une bonne couche de notre atmosphère (entre 100 et 1000 km) qui est faiblement ionisée mais suffisamment pour avoir des propriétés fondamentales en télécommunications. En fait, l'ionosphère possède une fréquence plasma telle qu'elle réfléchi les ondes radio (qui sont de l'ordre du Mhz) et qu'elle laisse passer les ondes satellites (de l'ordre du GHz).

En résumé, un plasma est un gaz ionisé composé d'ions et d'électrons :

  • Il est défini par une température ionique T_i et une température électronique T_e. De manière générale on a T_e > T_i.
  • Il est globalement neutre mais localement chargé électriquement.
  • Il est entouré d'une peau électronique d'épaisseur caractéristique \lambda = \sqrt{\frac{\varepsilon_0k_BT_e}{n_e^2}}
  • Il ne laisse passer que les ondes dont la fréquence est supérieure à \omega_p = \sqrt{\frac{n_e e^2}{\varepsilon_0m_e}}. Les autres ondes sont réfléchies.

On pourrait également rajouter deux critères important pour comprendre le comportement des plasmas :

  • La pression du plasma. C'est à dire le nombre de collisions par secondes entre les particules qui est directement lié à la température par une équation d'état (simple loi thermodynamique).
  • Le taux d'ionisation. C'est à dire le rapport entre le nombre d'ions et d'atomes dans le plasma. Ce taux d'ionisation est directement lié à la densité électronique (nombre d'électrons par m^3) qui est déterminant pour savoir à quel type de plasma on a à faire.

Voilà pour la "petite" introduction sur les plasmas. Maintenant on va voir qu'il existe différents types de plasmas.

Les différents types de plasmas

Il existe différents types de plasmas aux propriétés bien particulières. On peut catégoriser nos plasmas de nombreuses manières différentes mais la plus pertinente reste de diviser la famille des plasmas en plasmas chauds et plasmas froids.

  • Les plasmas froids : T_i << T_e

Les plasmas froids sont les plus communs car on les trouve un peu partout. La majorité de notre atmosphère est constituée de plasma froid. Ceux ci sont généralement faiblement ionisés étant donné leur température (les électrons n'acquièrent pas assez d'énergie cinétique pour être arrachés de leur noyau). Les plasmas froids sont en général très réactifs chimiquement et possèdent une conductivité électrique très élevée ce qui a pour conséquences qu'ils sont largement utilisés dans l'industrie et ce pour un faible coût étant donné leur température.

  • Les plasmas chauds : T_i \approx T_e

Les plasmas chauds sont un peu plus exotiques que les plasmas froids. En faite, on en trouve que dans des zones bien précises de notre univers, ce sont les étoiles, les supernovae les nébuleuses et autres agglomérats de matière émettant un rayonnement au moins dans le visible.

On peut également diviser les plasmas en trois catégories différentes : les plasmas classiques, les plasmas relativistes (pc \approx k_BT) et les plasmas quantiques (\hbar\omega \approx k_BT).

Parmi les plasmas classiques on trouve :

  • L'ionosphère : Je vous en ai déjà parlé, l'ionosphère correspond à la haute atmosphère d'une planète, sur Terre elle se situe entre 100 et 1000 km d'altitude. La cause principale de l'ionosphère est l'action du rayonnement ultraviolet solaire sur les molécules atmosphériques. Les électrons sont arrachés de leurs orbites par effet photoélectrique. Sur Terre, la fréquence de Langmur de l'ionosphère varie entre 2 et 6 Mhz suivant l'altitude. Dans le même temps, le taux d'ionisation de l'ionosphère varie entre n_e = 10^{4} cm^{-3} et n_e = 10^{6} cm^{-3}. De manière générale, l'ionosphère est un plasma froid.
Voici un schéma très bien fait de l'action de l'ionosphère sur le rayonnement. On voit que suivant la fréquence du signal, celui-ci est réfléchi ou transmis dans l'espace. Et ce phénomène se déroule à des altitudes différentes qui dépendent enfait du taux d'ionisation. [Source : www.nrl.navy.mil]
Voici un schéma très bien fait de l'action de l'ionosphère sur le rayonnement. On voit que suivant la fréquence du signal, celui-ci est réfléchi ou transmis dans l'espace. Et ce phénomène se déroule à des altitudes différentes qui dépendent enfait du taux d'ionisation. [Source : www.nrl.navy.mil]
  • L'atmosphère solaire : L'atmosphère solaire est un second exemple de plasma dont la température varie entre 4000 et plus d'un million de Kelvins ! Le taux d'ionisation varie en conséquence énormément et augmente à mesure que l'on s'éloigne de la surface du Soleil. La pression du plasma quant à elle diminue en fonction de l'altitude. L'atmosphère solaire est un mélange entre un plasma froid et un plasma chaud.
Cette courbe de l'évolution de la température à la surface du Soleil montre bien augmentation subite de la température entre la chromosphère et la couronne solaire.
Cette courbe de l'évolution de la température à la surface du Soleil montre bien augmentation subite de la température entre la chromosphère et la couronne solaire.
  • Les éclairs : Les éclairs sont un autre exemple de plasma. Ils se forment lorsque la différence de potentiel électrique entre le sol et le nuage devient grande devant la résistance de l'air. D'ailleurs, vous remarquerez lors de temps orageux qu'il y a plus d'éclairs lorsqu'il pleut que lorsqu'il ne pleut pas. Ceci vient du fait que la conductivité électrique de l'air humide est plus élevée que la conductivité électrique de l'air sec. L'éclair possède une température qui peut atteindre les 30 000 °C ce qui a pour conséquence d'ioniser l'air à plusieurs mètres à la ronde. Donc si un éclair tombe à côté de vous, vous risquez de le sentir !

6ae16f1472380600f9d6f432f7c64832_large

  • Le centre du Soleil : Impossible de parler de plasma sans parler du coeur des étoiles. Le coeur du soleil est un plasma chaud dont la température avoisine allègrement les 15 Millions de Kelvins. L'énergie d'agitation thermique est telle que le coeur du Soleil est composé d'un bain de particules élémentaires dont la densité est 150 fois supérieure à celle de l'eau. La particularité du plasma du coeur du Soleil est que les conditions de température et pression sont telles qu'il est le lieu de phénomènes de fusion nucléaire qui sont à l'origine de l'énergie que rayonne le Soleil.

Parmi les plasmas quantiques on trouve :

  • Des électrons dans un métal : On dirait plutôt que c'est un plasma semi-classique. En fait, tout va dépendre de la densité atomique du métal, plus celui-ci sera dense, plus le plasma électronique sera quantique. En fait, lorsque vous tenez un morceau métallique dans la main, vous tenez un plasma (froid évidement). Dans le métal, qu'il soit cristallin ou amorphe, les électrons forment une sorte de "colle" et se déplacent aléatoirement dans le métal. Comme n'importe quel plasma, les métaux possèdent une fréquence de Langmuir en dessous de laquelle une onde électromagnétique ne peut pas traverser le métal. C'est entre autre la raison pour laquelle on utilise parfois des écrans en plomb assez large pour arrêter des rayons X par exemple.
Schéma représentant une portion microscopique d'un métal cristallin. On voit que sous l'effet de la température, les électrons se déplacent librement.
Schéma représentant une portion microscopique d'un métal cristallin. On voit que sous l'effet de la température, les électrons se déplacent librement.
  • Les naines blanches : Les naines blanches sont des astres dont la densité est extrêmement élevée. Ces sont en fait des étoiles en fin de vie dont toute la matière superficielle a été éjectée dans l'espace interstellaire et seul le noyau subsiste. Sa densité est telle qu'une tonne de matière de naine blanche aurait la taille d'un petit cailloux ! De manière plus rigoureuse, on dit que la matière qui compose la naine blanche est dégénérée. C'est un principe fondamental de la mécanique quantique qui met en jeu le principe d'exclusion de Pauli et le principe d'incertitude d’Heisenberg. Je ferai un article sur les principes fondamentaux de la mécanique quantique, ne vous en faites pas 😉

Parmi les plasmas relativistes on trouve :

  • Les pulsars : Les pulsars sont également des objets étranges de l'univers. Se sont en fait des résidus d'étoiles (des étoiles à neutrons) qui tournent extrêmement rapidement sur eux-mêmes. La densité de matière est extrêmement élevée à tel point que les protons + électrons fusionnent pour donner des neutrons, et tout ça tourne à une vitesse folle qui peut atteindre plusieurs centaines de hertz (tours par seconde) ! En fait, la grande majorité des pulsars ralentissent très rapidement en émettant un rayonnement et un champ magnétique très intenses.
Vue d'artiste d'un pulsar. Du fait de la rotation rapide de celui-ci, on observe des jets puissants de matière du au fort champ magnétique qui règne sur le pulsar.
Vue d'artiste d'un pulsar. Du fait de la rotation rapide de celui-ci, on observe des jets puissants de matière du au fort champ magnétique qui règne sur le pulsar.

Pour résumer cet article, j'aimerais vous montrer ce schéma que j'ai trouvé sur un cours en ligne de physique des plasmas dont je me suis fortement inspiré. On y voit de nombreux plasmas différents classés suivant leur température et leur densité électronique.

plasmas

Les plasmas sont des objets dont on parle peu mais qui sont très intéressants à étudier car ils possèdent des propriétés bien particulières. En particulier, je voudrais parler des plasmas physiques à haute température à l'intérieur desquels se déroulent des phénomènes de fusion nucléaire. Les plasmas à fusion sont de plus en plus étudiés dans l'espoir d'être un jour maitriser afin de produire suffisamment d'énergie pour alimenter toute une population. Je pense que le prochain article sur la physique des plasmas portera sur la fusion nucléaire, j'ai deux ou trois choses sympathiques à vous dire 😉

Sur ceux j'espère que cet article vous a plu, si c'est le cas n'hésitez pas à le commenter et à le partager. Si vous avez des suggestions ou des questions, vous pouvez toujours m'envoyer un e-mail ou encore poster un commentaire dans la catégorie Questions/Réponses ! 😉

Commentaire sur “La physique des plasmas”

Laissez un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *

Shares