MATIÈRE (physique)Plasmas

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Propagation d'ondes dans les plasmas

Les plasmas sont le siège de phénomènes ondulatoires très variés, en particulier en présence d'un champ magnétique brisant le caractère isotrope du plasma. Au moins pour les ondes de faible amplitude, on peut toujours se ramener à l'étude des ondes planes où toutes les grandeurs associées à l'onde, champ électrique, champ magnétique, perturbation de densité, etc., s'écrivent sous la forme A(r,t) = A0 cos(ωt — k.r – ϕ) où ω est la fréquence angulaire, k le vecteur d'onde et ϕ la phase de l'onde considérée. Pour une onde donnée, les grandeurs ω et k sont liées par une relation de dispersion que l'on peut noter ω = f(k). Les caractéristiques de l'onde sont fonctions de la géométrie respective du vecteur d'onde k, du champ électrique de l'onde E, et éventuellement du champ magnétique B régnant dans le plasma lui-même, indépendamment de l'onde. Pour un plasma non magnétisé (B = 0), on distingue les ondes longitudinales (k // E) et les ondes transversales (k E). Il existe deux types d'ondes longitudinales, les ondes plasmas électroniques, dans lesquelles seuls les électrons sont mis en mouvement, et les ondes pseudo-sonores, encore appelées ondes acoustiques ioniques, dans lesquelles les électrons et les ions participent au mouvement d'oscillation. Les ondes plasmas électroniques, celles-là mêmes qui furent découvertes par Langmuir, ont en fait une fréquence angulaire légèrement supérieure à ωp, soit :

Comme l'a démontré Landau, elles s'amortissent d'autant plus que le paramètre kλD est élevé, en pratique dès qu'il dépasse la valeur 0,2 ou 0,3. Les ondes acoustiques ioniques n'existent en fait que si la condition ZTe ⪢ Ti est vérifiée, où Z est la charge moyenne d'un ion, Te et Ti les températures des populations électronique et ionique, respectivement. Leur relation de dispersion s'écrit (si on se limite au domaine des fréquences assez basses) ω = k(ZkB Te / mi)1/2. Dans cette expression, mi représente la masse d'un ion : on a l'analogue de la relation de dispersion des ondes sonores dans les gaz, mais ici c'est la pression électronique, d'une part, et la masse ionique, d'autre part, qui gouvernent la propagation de ces ondes.

Les ondes transversales (k E), au contraire des ondes longitudinales, ont un champ magnétique propre, perpendiculaire à la fois au vecteur d'onde k et au champ électrique E. Il s'agit en fait des ondes électromagnétiques, dont le plasma modifie la vitesse de propagation. La relation de dispersion s'écrit ω2 = ωp2 + k2c2. Ainsi une onde électromagnétique peut se propager dans un plasma – ce qui suppose k2 réel positif – uniquement si ω > ωp. C'est-à-dire qu'elle ne peut se propager que dans les plasmas dont la densité reste inférieure à la densité nc = meε0ω2/e2, appelée « densité de coupure associée au rayonnement de fréquence ω », ou encore « densité critique ». Par exemple, un faisceau laser de longueur d'onde λ = 1,06 μm, issu d'un laser à verre dopé au néodyme, couramment utilisé dans les laboratoires de recherche sur les plasmas, ne peut se propager dans les plasmas dont la densité électronique dépasse 1027 m–3. De même, pour traverser l'ionosphère dont la densité électronique est de l'ordre de 1012 m–3, la fréquence d'une onde radioélectrique doit dépasser 9 MHz.

Lorsque le plasma est plongé dans un champ magnétique B, il devient anisotrope. Une grande diversification des modes de propagation en résulte, avec l'apparition de modes spécifiques aux plasmas magnétisés. Sans entrer dans les détails, citons simplement les ondes d'Alfvén, avec k//B et kE, qui sont des modes de basse fréquence, ω = kvA, où vA = B/(μ0nimi)1/2 est la vitesse d'Alfvén. Ces modes d'Alfvén correspondent à des oscillations des lignes de force du champ magnétique, analogues aux oscillations des cordes vibrantes en mécanique.

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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 08 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/matiere-physique-plasmas/