MATIÈRE (physique)Plasmas

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Historique et premiers concepts

Les premières études sur les décharges, effectuées par le physicien britannique Michael Faraday, remontent aux années 1830. L'établissement des équations de Maxwell (1864), la découverte de l'électron en 1897 par le Britannique Joseph John Thomson (Prix Nobel de physique 1906) et la compréhension de la structure de la matière qui a suivi ont permis l’avènement de la physique des plasmas au xxe siècle. Le mot « plasma » apparaît lui-même dans les années 1920, sous la plume de l'Américain Irving Langmuir (Prix Nobel de chimie 1932), qui, étudiant les décharges dans les gaz faiblement ionisés, découvre avec son compatriote Lewis Tonks le phénomène d'oscillations électroniques collectives, à la pulsation ωp = (ne e2/me ε0)1/2, appelée fréquence plasma électronique,ne est la densité électronique (nombre d'électrons par unité de volume), e la charge élémentaire, me la masse d'un électron, et ε0 la permittivité du vide, soit ωp = 56,4 ne1/2 en unités standards. À la même époque, l’Américain d’origine néerlandaise Petrus Debye et l’Allemand Erich Hückel établissent le phénomène d'écrantage électrique dans les électrolytes, phénomène qui joue également un rôle fondamental dans les plasmas, où la longueur de Debye λD correspond à l'échelle caractéristique sur laquelle le plasma peut accepter la séparation des charges positives et négatives à l'équilibre thermodynamique. On a λD = (ε0 kB Te/ne e2)1/2, où kB est la constante de Boltzmann et Te la température électronique, soit λD= 69 (Te/ne)1/2. Dans le même temps, le rôle de l'ionosphère dans la propagation des ondes radio à grande distance est élucidé et stimule les études sur la propagation d'ondes électromagnétiques dans les plasmas. Ainsi, en 1942, le physicien suédois Hannes Alfvén (Prix Nobel de physique 1970) développe la théorie des ondes magnétohydrodynamiques, où le champ magnétique présent dans le plasma joue un rôle primordial. Une autre étape importante est franchie en 1946 par le Soviétique Lev Landau (Prix Nobel de physique 1962), qui prédit que les ondes correspondant aux oscillations électroniques collectives de Langmuir doivent s'amortir, même en l'absence de tout processus collisionnel. Cet amortissement non collisionnel est la première manifestation du concept d'interaction onde-particule, qui se traduit par des échanges d'énergie entre l'onde et les particules dont la vitesse suivant la direction de propagation de l'onde est voisine de la vitesse de phase de l'onde. L'amortissement de Landau n'a en fait été observé expérimentalement que près de vingt ans après la prédiction théorique.

Irving Langmuir et E. D. MacArthur

Photographie : Irving Langmuir et E. D. MacArthur

Irving Langmuir (à droite), Prix Nobel de chimie 1932, examine avec E. D. MacArthur une copie de la lampe thermo-ionique inventée par Edison. Plus à droite, on peut voir son tube à haut vide qu'il conçut en 1912 pour ses recherches sur les flux d'électrons, lesquelles eurent de nombreuses... 

Crédits : Encyclopaedia Britannica, Inc

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Sinclair Lewis, Frank Kellogg, Albert Einstein et Irving Langmuir

Photographie : Sinclair Lewis, Frank Kellogg, Albert Einstein et Irving Langmuir

De gauche à droite, Sinclair Lewis (1885-1951), Prix Nobel de littérature 1930, Frank Kellogg (1856-1937), Prix Nobel de la paix 1929, Albert Einstein (1879-1955), Prix Nobel de physique 1921, et Irving Langmuir (1881-1957), Prix Nobel de chimie 1932. 

Crédits : Hulton Getty

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Les années 1950 marquent une intensification des études sur la physique des plasmas. Ces développements sont dus, d'une part, aux lancements des premiers satellites, d'abord en orbite terrestre, puis en orbite interplanétaire, qui permettent des explorations in situ de l'environnement terrestre, avec en particulier la découverte du vent solaire (flux de plasma éjecté par le Soleil et s’en s'éloignant à une vitesse de l'ordre de 300 à 800 km/s) et des ceintures de Van Allen, constituées de particules chargées énergétiques, piégées dans la structure magnétique créée par le dipôle magnétique terrestre. Les progrès sont dus, d'autre part, au développement rapide des études sur la fusion thermonucléaire contrôlée et sur le confinement des plasmas sièges des réactions de fusion, dans un premier temps à l'aide de structures magnétiques, où les trajectoires des particules chargées s'enroulent indéfiniment autour des lignes du champ magnétique. Depuis 1972, une deuxième voie est explorée, la fusion par confinement inertiel, où l'on cherche en fait à réaliser une mini-explosion thermonucléaire à l'aide de faisceaux lasers (ou de particules) très intenses.

Dans le même temps, les plasmas de décharges et, plus généralement, les plasmas faiblement ionisés ont donné lieu à un foisonnement d'applications industrielles, en particulier dans le domaine du traitement des surfaces et des matériaux.

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Irving Langmuir et E. D. MacArthur

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Pour citer l’article

Patrick MORA, « MATIÈRE (physique) - Plasmas », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 30 juin 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/matiere-physique-plasmas/