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MATIÈRE (physique) Plasmas

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[...]

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Écrit par

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

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Classification

Pour citer cet article

Patrick MORA. MATIÈRE (physique) - Plasmas [en ligne]. In Encyclopædia Universalis. Disponible sur : (consulté le )

Médias

États de la matière - crédits : Encyclopædia Universalis France

États de la matière

Encyclopædia Universalis France

Irving Langmuir et E. D. MacArthur - crédits : Encyclopaedia Britannica, Inc

Irving Langmuir et E. D. MacArthur

Encyclopaedia Britannica, Inc

Sinclair Lewis, Frank Kellogg, Albert Einstein et Irving Langmuir - crédits : Hulton-Deutsch/ Corbis Historical/ Getty Images

Sinclair Lewis, Frank Kellogg, Albert Einstein et Irving Langmuir

Hulton-Deutsch/ Corbis Historical/ Getty Images

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Autres références

  • ÉTAT DE LA MATIÈRE, notion d'

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 1 521 mots

    L'expérience quotidienne permet à chacun d'appréhender la notion d'état de la matière (parfois appelé phase) et celle de transition de phase qui lui est étroitement liée. L'exemple typique est celui des trois états si différents que prend l'eau lorsque sa température varie : à partir de 0 ...

  • MATIÈRE, notion de

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    Le mot « matière » cache sous sa généralité abstraite une origine concrète fort éclairante. En latin archaïque, materia appartient à la langue rustique et désigne la substance dont est fait le tronc de l'arbre, en tant qu'elle est productrice (de branches, de feuilles). L'élargissement successif...

  • PARTICULES ÉLÉMENTAIRES

    • Écrit par Maurice JACOB, Bernard PIRE
    • 8 172 mots
    • 12 médias

    Les physiciens poursuivent l'étude de la structure de la matière dans le but de trouver plus d'unité et de simplicité dans un monde qui nous frappe par sa diversité et son apparente complexité. N'est-il pas remarquable de pouvoir ramener la variété quasi infinie des objets qui nous entourent...

  • ANTIMATIÈRE

    • Écrit par Bernard PIRE, Jean-Marc RICHARD
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    ...associé est bâti avec les antiquarks correspondants. Les mésons résultent de la liaison d'un quark et d'un antiquark. Dans cette description moderne, la matière est constituée par trois « générations » de quarks et de leptons, le nombre trois a été établi par les expériences du C.E.R.N. (laboratoire européen...

  • ATOME

    • Écrit par José LEITE LOPES
    • 9 140 mots
    • 13 médias
    Composants de base de l'atome - crédits : Encyclopædia Universalis France

    L'atome est le terme ultime de la division de la matière dans lequel les éléments chimiques conservent leur individualité. C'est la plus petite particule d'un élément qui existe à l'état libre ou combiné. On connaît 90 éléments naturels auxquels s'ajoutent le ...

  • BOHR ATOME DE

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 369 mots
    • 1 média

    Deux ans après avoir soutenu sa thèse sur la théorie électronique des métaux, le physicien danois Niels Bohr (1885-1962) écrit en 1913 trois articles fondamentaux qui révolutionnent la compréhension de la structure de la matière. Le premier, paru le 5 avril dans le Philosophical Magazine...

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Voir aussi

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