État plasma

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Le soleil est une boule de plasma
Les flammes de haute température sont des plasmas

L'état plasma est un état de la matière, tout comme l'état solide, l'état liquide ou l'état gazeux, bien qu'il n'y ait pas de transition brusque pour passer d'un de ces états au plasma ou réciproquement. Il est visible sur Terre, à l'état naturel, le plus souvent à haute température, quand l'énergie est telle qu'elle réussit à arracher des électrons aux atomes. On observe alors une sorte de « soupe » d'électrons extrêmement actifs, dans laquelle « baignent » également des ions ou des noyaux atomiques. Les propriétés chimiques de cet état sont assez différentes de celles des autres états ; elles sont parfois dites « exotiques ». Les exemples de plasmas les plus courants sont les flammes de haute température et la foudre.

Le terme plasma, appelé aussi « quatrième état de la matière »[a], a été utilisé en physique pour la première fois par le physicien américain Irving Langmuir en 1928, par analogie avec le plasma sanguin. La branche qui l'étudie est la physique des plasmas.

Formation d'un plasma[modifier | modifier le code]

Dans les conditions usuelles, un milieu gazeux ne conduit pas l’électricité. Lorsque ce milieu est soumis à un champ électrique faible, un gaz pur est considéré comme un isolant électrique parfait, car il ne contient aucune particule chargée libre (électrons ou ions positifs). Mais des électrons libres et des ions positifs peuvent apparaître si on soumet le gaz à un fort champ électrique (30 kilovolts/centimètre[1] pour l'air) ou à des températures assez élevées, si on le bombarde de particules ou s’il est soumis à un champ électromagnétique très intense.

Lorsque l’ionisation est suffisamment importante pour que le nombre d’électrons par unité de volume soit comparable à celui des molécules neutres, le gaz devient alors un fluide conducteur qu’on appelle plasma.

Typiquement l'énergie d'ionisation d'un corps est de quelques électron-volts. La température nécessaire pour former un plasma est donc celle à partir de laquelle l'énergie thermique, qui peut être estimée par le produit kT, atteint cet ordre de grandeur, c'est-à-dire lorsque kT1 eV, soit une température d'environ 11 000 K.

Exemples[modifier | modifier le code]

Les différents plasmas en fonction de leur température par rapport à leur densité.

Les plasmas sont extrêmement répandus dans l'Univers puisqu'ils représentent plus de 99 % de la matière ordinaire[2]. Toutefois, ils passent presque inaperçus dans notre environnement proche, étant donné leurs conditions d'apparition très éloignées des conditions de température et de pression de l'atmosphère terrestre.

Ainsi, on distingue les plasmas naturels :

et les plasmas industriels :

Plasmas spécifiques et applications[modifier | modifier le code]

  • plasma quark-gluon, un état de la matière où les quarks et les gluons ne sont plus confinés dans des particules, mais libres ;
  • plasma astrophysique, une matière qui représente la grande proportion de l'espace en dehors des galaxies, étoiles et planètes ;
  • plasma de fusion, ces types de plasma sont créés avec des lasers en fusion par confinement inertiel ;
  • plasma stealth, utilisation de plasma (état de la matière) dans la recherche de la furtivité ;
  • lampe à plasma, qui utilise la luminosité du plasma ;
  • écran à plasma, écran plat dont la lumière est créée par du phosphore excité par une impulsion électrique plasma ;
  • torche à plasma, méthode de génération de plasma utilisée dans différentes applications (en chimie, traitement des déchets, etc.) ;
  • accélération laser-plasma, méthode de production de faisceaux d'électrons.

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. On parle de 4e état parce que les propriétés d'un plasma sont très différentes de celles d'un gaz neutre, mais ce n'est pas un véritable état au sens de la thermodynamique car la transition de l'un à l'autre est progressive : il n'y a pas de transition de phase (pas de ligne univariante dans le diagrammeT-P, pas de chaleur latenteetc.).
  2. La question de savoir si les flammes sont ou non des plasmas n'est pas aisée : si le gaz présent dans la flamme est lumineux, c'est essentiellement en raison de la température due aux réactions de combustion exothermiques (ce gaz se comporte approximativement comme un corps noir) et il n'est que partiellement ionisé. Pour les flammes de basse température, seul le cœur de flamme est en général ionisé. En revanche, les flammes de haute température sont des plasmas du fait de leur plus forte ionisation.

Références[modifier | modifier le code]

  1. http://hypertextbook.com/facts/2000/AliceHong.shtml.
  2. (en) R. Paul Drake, High-Energy-Density Physics : Fundamentals, Inertial Fusion, and Experimental Astrophysics, Springer Science & Business Media, , 534 p. (ISBN 9783540293149, lire en ligne), p. 19.

Articles connexes[modifier | modifier le code]