État du plasma

L’état de plasma est presque unanimement reconnu par la communauté scientifique comme le quatrième état global. Autour de cet état s’est même constituée une science à part entière qui étudie ce phénomène : la physique des plasmas. L’état de plasma ou de gaz ionisé est représenté comme un ensemble de particules chargées dont la charge totale dans tout volume du système est nulle — un gaz quasi-neutre.

Obtention du plasma

Le plasma à haute température peut être produit de deux manières : en chauffant fortement le gaz ou en comprimant fortement la substance. Dans de telles conditions, les électrons ne sont pas en mesure de rester sur leurs orbites dans les atomes de la substance et, par conséquent, s’en détachent. Un ensemble de particules positives séparées (protons ou noyaux atomiques — ions) et d’électrons apparaît alors. En augmentant encore la pression ou la température, on peut également obtenir du plasma de quarks et de gluons à partir de l’état de plasma.

Le plasma, quatrième état de l’agrégat

Il existe également le plasma à décharge, qui est produit par une décharge de gaz. Lorsqu’un courant électrique traverse un gaz, le premier ionise le gaz, dont les particules ionisées sont des porteurs de courant. Ainsi, dans des conditions de laboratoire, on obtient un plasma dont le degré d’ionisation peut être contrôlé en modifiant les paramètres du courant. Toutefois, contrairement au plasma à haute température, le plasma à décharge est chauffé par le courant et se refroidit donc rapidement lorsqu’il interagit avec les particules non chargées du gaz environnant.

Arc électrique — gaz quasi-neutre ionisé

Propriétés et paramètres du plasma

Contrairement au gaz, la substance à l’état de plasma a une conductivité électrique très élevée. Bien que la charge électrique totale du plasma soit généralement nulle, elle est fortement influencée par le champ magnétique, qui peut provoquer l’écoulement de jets de cette matière et la diviser en couches, comme on l’observe dans le Soleil.

Les spicules sont des courants de plasma solaire

Une autre propriété qui distingue le plasma du gaz est l’interaction collective. Alors que les particules de gaz entrent généralement en collision deux par deux, et rarement trois, les particules de plasma, en raison de la présence de charges électromagnétiques, interagissent simultanément avec plusieurs particules.

En fonction de ses paramètres, le plasma est divisé en plusieurs classes :

• Selon la température : basse température — moins d’un million de kelvins, et haute température — un million de kelvins ou plus. L’une des raisons de l’existence d’une telle division est que seul le plasma à haute température est capable de participer à la fusion thermonucléaire.
• Équilibre et non-équilibre. Une substance à l’état de plasma dont la température des électrons est beaucoup plus élevée que celle des ions est appelée non-équilibre. Dans le cas où la température des électrons et des ions est la même, on parle d’un plasma à l’équilibre.
• Selon le degré d’ionisation : plasma fortement ionisé et plasma faiblement ionisé. Il faut savoir que même un gaz ionisé, dont 1 % des particules sont ionisées, présente certaines propriétés d’un plasma. Toutefois, un gaz entièrement ionisé (100 %) est généralement appelé plasma. La matière solaire est un exemple de substance dans cet état. Le degré d’ionisation est directement lié à la température.

Applications

C’est dans le domaine de l’éclairage que le plasma a trouvé sa plus grande application : dans les lampes à décharge, les écrans et divers dispositifs à décharge, tels que les stabilisateurs de tension ou les générateurs de rayonnement à ultra-haute fréquence (micro-ondes). Pour en revenir à l’éclairage, toutes les lampes à décharge sont basées sur le passage d’un courant dans un gaz, ce qui provoque l’ionisation de ce dernier. Un écran plasma, très répandu dans la technologie, est un ensemble de chambres à décharge remplies de gaz fortement ionisé. La décharge électrique qui se produit dans ce gaz génère un rayonnement ultraviolet, qui est absorbé par le luminifère et provoque son incandescence dans le domaine visible.

Dispositif d’écran à plasma

Le deuxième domaine d’application du plasma est l’astronautique, et plus précisément les moteurs à plasma. Ces moteurs fonctionnent à partir d’un gaz, généralement du xénon, qui est fortement ionisé dans une chambre de décharge. Grâce à ce processus, les ions lourds du xénon, qui sont également accélérés par un champ magnétique, forment un flux puissant qui crée la poussée du moteur.

Les plus grands espoirs sont placés dans le plasma en tant que «combustible» pour un réacteur de fusion. Souhaitant reproduire la fusion des noyaux atomiques qui se produit sur le Soleil, les scientifiques travaillent à l’obtention de l’énergie de fusion à partir du plasma. À l’intérieur d’un tel réacteur, la matière fortement chauffée (deutérium, tritium ou encore hélium 3) est à l’état de plasma et, en raison de ses propriétés électromagnétiques, est maintenue par un champ magnétique. La formation d’éléments plus lourds à partir du plasma d’origine se produit avec la libération d’énergie.

Conception d’un réacteur de fusion

Les accélérateurs de plasma sont également utilisés dans les expériences de physique des hautes énergies.

Date de publication: 12-26-2023

Mettre à jour la date: 12-26-2023