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'e [...]


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Irving Langmuir et E. D. MacArthur

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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 24 novembre 2020. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/matiere-physique-plasmas/