MATIÈRE (physique)Plasmas

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Propriétés et classification des plasmas

Le caractère longue portée des forces électromagnétiques s'exerçant sur les particules chargées donne au plasma un comportement particulier, où les interactions collectives jouent un rôle dominant, par l’intermédiaire des champs électriques et magnétiques globaux du plasma, au contraire des gaz habituels, où les interactions binaires, c’est-à-dire mettant en jeu deux particules, sont dominantes.

À l'équilibre thermodynamique, la proportion d'atomes ionisés dans un gaz est donnée par la formule de Saha :

écrite ici pour l'hydrogène, où ni et n0 désignent respectivement la densité ionique et la densité d'atomes neutres, h la constante de Planck et Ei l'énergie d'ionisation, c'est-à-dire l'énergie qu'il faut fournir pour arracher un électron à un atome. Soit neni/n0 = 2,4 × 1021T3/2 exp(— 1,58 × 105/T). Hors équilibre, le taux d'ionisation peut s'écarter sensiblement de cette valeur. C'est, par exemple, le cas dans l'ionosphère, où l'origine des électrons et des ions réside principalement dans l'interaction entre le flux de rayonnement ultraviolet solaire et les molécules de l'atmosphère.

À suffisamment haute température (T), le plasma est totalement ionisé et peut en général être considéré comme un gaz parfait, où chaque particule a une énergie cinétique moyenne égale à 3/2(kBT) et dont l'équation d'état s'écrit P = nkBT, (P étant la pression et n le nombre de particules par unité de volume). L'image du gaz parfait suppose en fait que le produit neλD3, correspondant au nombre d'électrons dans un cube d'arête égale à la longueur de Debye λD, est grand devant l'unité. Les plasmas vérifiant cette propriété sont dénommés plasmas chauds, ou plasmas cinétiques, par référence au fait que les énergies moyennes d'interaction entre proches voisins sont faibles devant les énergies cinétiques des particules. L'effet des collisions binaires est petit et peut être négligé pour la plupart des aspects du comportement de ces plasmas.

À température modérée, comme dans les décharges gazeuses, le plasma n'est que partiellement ionisé et les collisions binaires entre particules chargées ou avec les particules neutres influencent davantage le comportement du plasma. Les collisions peuvent être élastiques, quand les particules « rebondissent » l'une sur l'autre en conservant énergie et impulsion globales, ou inélastiques, quand au moins l'un des constituants de la collision voit son énergie interne modifiée, conduisant, par exemple, à des états atomiques ou ioniques excités, voire à une ionisation supplémentaire. Ainsi les collisions gouvernent les phénomènes de création et de transport de particules (mobilité dans un champ électrique, diffusion) et de transport d'énergie (par le flux de chaleur).

À très haute densité, deux phénomènes contribuent à donner aux plasmas denses des propriétés sensiblement différentes de celles des plasmas chauds ou des plasmas partiellement ionisés. D'une part, si le produit neλD3 est petit ou de l'ordre de 1, l'équation d'état n'est plus celle d'un gaz parfait et les énergies moyennes d'interaction entre proches voisins sont comparables ou grandes devant les énergies cinétiques des particules. Les interactions binaires deviennent importantes, on dit que les plasmas sont corrélés ou fortement couplés. Les particules sont en quelque sorte engluées les unes dans les autres. À certains égards, ces plasmas correspondent plus à des liquides qu'à des gaz. D'autre part, il faut tenir compte de la température de Fermi (TF) des électrons :

soit TF = 4,2 × 10–15 ne3/2. Si Te ⪢ TF, les électrons peuvent effectivement être décrits classiquement, mais une description quantique s'impose pour Te ∼ TF. Les ions, qui ont une masse bien supérieure, peuvent continuer à être décrits classiquement. Plus la densité est forte, plus les ions ont tendance à s'organiser suivant un réseau cristallin, tandis que les électrons dégénérés (au sens quantique) forment un fond continu de charge négative. Les plasmas denses se rencontrent à l'intérieur des étoiles, en particulier les naines blanches, qui sont des étoiles âgées encore chaudes, mais qui sont surtout extrêmement denses. Les électrons des métaux relèvent également du même type de traitement.

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  • : docteur d'État, directeur de recherche au C.N.R.S.

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Pour citer l’article

Patrick MORA, « MATIÈRE (physique) - Plasmas », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 18 mai 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/matiere-physique-plasmas/