plasma (physique)

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Présentation

plasma (physique), gaz partiellement ou totalement ionisé. Ce type de milieu constitue le quatrième état de la matière après l’état solide, l’état liquide et l’état gazeux.

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Composition et propriétés

Un plasma est constitué de particules neutres (atomes, molécules, radicaux libres), d’ions positifs ou négatifs (particules ayant respectivement perdu ou capté des électrons) et d'électrons. Il existe aussi dans un plasma des atomes ou molécules dits « excités » (les électrons ne sont pas arrachés, mais portés dans des états d’énergie potentielle élevée en restant liés au noyau) qui peuvent se désexciter en émettant de la lumière. Cela permet à ce gaz d’être émetteur de lumière visible ou invisible (rayons X, ultraviolet [UV], infrarouge [IR], etc.). Globalement, ce gaz est électriquement neutre. Du fait de leur long rayon d’interaction (force coulombienne), les ions et électrons interagissent fortement entre eux et avec les autres espèces du gaz ionisé. La présence de particules chargées dans le gaz confère à celui-ci des propriétés collectives. En particulier, lorsque le plasma présente un excès local de charges positives ou négatives, ces dernières engendrent un champ électrique local. Pour annuler ce déséquilibre de charge, le champ provoque un déplacement rapide des électrons, très mobiles par rapport aux ions, car ils sont plus légers. La réponse des particules chargées pour réduire le champ électrique local s’appelle l’écrantage de Debye et opère sur une distance appelée longueur de Debye. Elle dépend de l’énergie moyenne des électrons et de leur densité. Cette réponse à la perturbation électrique locale prend la forme d’une oscillation dont la fréquence est appelée fréquence plasma. Ainsi, les électrons se déplacent d’une longueur de Debye pendant une oscillation plasma. Ce phénomène peut être observé dans un métal, où les électrons quasi libres et les ions immobiles forment un plasma, l’oscillation collective des électrons portant le nom de plasmon.

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Plasmas naturels

Les plasmas existent à l’état naturel et composent, selon les astrophysiciens, 99 p. 100 de l’Univers. Sur Terre, les éclairs et les aurores polaires en sont la manifestation la plus visible. Dans la haute atmosphère (ionosphère), le plasma ionosphérique est responsable de la réflexion des ondes radio (dont la fréquence est inférieure à la fréquence plasma de l’ionosphère). Ces plasmas naturels sont créés par les hautes températures du milieu (Soleil et étoiles), et par le rayonnement (matière interstellaire, enveloppes atmosphériques), constituant ainsi les sources d’énergie nécessaires à l’ionisation des particules.

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Plasmas artificiels

Les propriétés particulières de ces milieux (ions, électrons, espèces excitées, rayonnement) ont provoqué la curiosité des chercheurs qui en ont créé artificiellement, soit comme objets d’études, soit en vue d’une application. Les températures requises pour l’ionisation sont très élevées (supérieures à 10⁴ °C), et divers moyens sont utilisés pour créer l’ionisation. Les décharges électriques dans les gaz ou les lasers en interaction avec la matière en sont des exemples courants. Dans le premier cas, les électrons libres du gaz sont accélérés et ionisent des atomes par collision, créant ainsi d’autres électrons capables à leur tour d'ioniser d'autres atomes et de créer d’autres électrons. Dans le deuxième cas, l’interaction du faisceau laser avec la matière (gaz ou solide) conduit à l’ionisation, donc à la création d’électrons, qui sont accélérés dans le champ électrique du laser et deviennent à leur tour ionisants. Dans les deux modes de production, il existe également des espèces excitées et des radicaux. Compte tenu de leur grande versatilité, les plasmas sont actuellement largement utilisés dans diverses applications industrielles.