État du plasma : caractéristiques, types et exemples

Introduction

L’état du plasma est un état de la matière caractérisé par la présence d’ions et d’électrons libres, résultant de l’ionisation d’un gaz ou d’un liquide.​

Définition de l’état du plasma

L’état du plasma est défini comme un état de la matière où les atomes ou molécules d’un gaz ou d’un liquide sont ionisés, c’est-à-dire qu’ils ont perdu ou gagné des électrons pour former des ions et des électrons libres.​

Cet état se produit lorsque l’énergie apportée au système est suffisante pour briser les liaisons chimiques entre les atomes ou molécules, créant ainsi un ensemble de particules chargées.

L’état du plasma est caractérisé par la présence de trois espèces principales ⁚ les ions positifs, les électrons négatifs et les neutrals.​

Cette définition couvre une grande variété de phénomènes naturels et artificiels, tels que les étoiles, les plasmas de laboratoire et les décharges électriques.

Caractéristiques de l’état du plasma

L’état du plasma se caractérise par une conductivité électrique élevée, une réactivité chimique accrue et une réponse aux champs magnétiques et électriques.​

Ionisation énergétique

L’ionisation énergétique est un processus clé dans la formation d’un plasma.​ Elle se produit lorsque les atomes ou les molécules d’un gaz sont soumis à une énergie suffisante pour enlever des électrons, créant ainsi des ions et des électrons libres.​

Cette énergie peut être fournie par divers moyens, tels que des chocs thermiques, des radiations électromagnétiques ou des collisions avec d’autres particules.​ La quantité d’énergie requise pour ioniser un atome ou une molécule est appelée énergie d’ionisation;

L’ionisation énergétique est responsable de la création d’un plasma, qui est caractérisé par la présence d’ions et d’électrons libres.​ Cette propriété permet au plasma de répondre aux champs magnétiques et électriques, ce qui en fait un état de la matière très particulier.​

Conductivité électrique

La conductivité électrique est une propriété essentielle des plasmas, qui leur permet de conduire l’électricité;

Cette propriété est due à la présence d’électrons libres, qui peuvent se déplacer librement dans le plasma sous l’action d’un champ électrique.​

La conductivité électrique des plasmas est généralement beaucoup plus élevée que celle des solides ou des liquides, ce qui en fait des conducteurs électriques très efficaces.​

Cette propriété fait que les plasmas sont souvent utilisés dans les applications nécessitant une haute conductivité électrique, telles que les lampes à plasma ou les réacteurs à plasma.​

La conductivité électrique des plasmas varie en fonction de la densité des particules, de la température et de la pression, mais elle est toujours supérieure à celle des états de la matière solide et liquide.​

Types d’état du plasma

Les plasmas peuvent être classés en deux catégories principales ⁚ les plasmas thermiques et les plasmas non thermiques, en fonction de leur mécanisme d’ionisation.​

Plasma thermique

Le plasma thermique, également appelé plasma équilibre thermique, est un type de plasma où les ions et les électrons sont en équilibre thermique, c’est-à-dire qu’ils ont la même température.​

Ce type de plasma est caractérisé par une forte ionisation, due à la haute énergie thermique des particules.​ Les plasmas thermiques sont généralement obtenus à haute température, supérieure à 10 000 K.​

Ils sont couramment rencontrés dans les étoiles, les arcs électriques, les éclairs et les décharges électriques.​ Les plasmas thermiques sont également utilisés dans certaines applications industrielles, telles que la production de matériaux semi-conducteurs.

Plasma non thermique

Le plasma non thermique, également appelé plasma hors équilibre thermique, est un type de plasma où les ions et les électrons ne sont pas en équilibre thermique, c’est-à-dire qu’ils ont des températures différentes.​

Ce type de plasma est caractérisé par une faible ionisation, due à la basse énergie thermique des particules. Les plasmas non thermiques sont généralement obtenus à basse pression, souvent dans des environnements tels que les décharges gazeuses ou les plasmas créés par des radiations électromagnétiques.​

Ils sont couramment rencontrés dans les lampes fluorescentes, les signaux néon, les écrans plasma et les réacteurs de dépôt de couches minces. Les plasmas non thermiques sont également utilisés dans certaines applications médicales, telles que la stérilisation et la décontamination.​

Exemples d’état du plasma

L’état du plasma se rencontre dans divers phénomènes naturels et applications technologiques, tels que les éclairs, les décharges électriques, les lampes fluorescentes et les signaux néon.

Éclairs et décharges électriques

Les éclairs et les décharges électriques sont des exemples spectaculaires de l’état du plasma dans la nature.​ Lorsqu’un éclair se forme, une grande quantité d’énergie est libérée, ionisant l’air et créant un plasma à haute température.​ Cette ionisation génère une grande quantité de lumière et de chaleur, produisant l’éclair lumineux que nous voyons.​ Les décharges électriques, telles que celles qui se produisent lors d’une tempête, sont également des exemples d’état du plasma.​ Dans ces cas, l’énergie électrique est suffisante pour ioniser les molécules d’air, créant un plasma qui peut atteindre des températures très élevées.​

Signaux et lampes fluorescentes

Les signaux et les lampes fluorescentes sont d’autres exemples d’applications de l’état du plasma. Les lampes fluorescentes, telles que les néons, fonctionnent en créant un plasma à basse pression à l’intérieur d’un tube de verre.​ L’électricité est appliquée aux extrémités du tube, ionisant le gaz contenu et créant un plasma qui émet de la lumière.​ Les signaux, tels que ceux utilisés dans les panneaux de signalisation, fonctionnent de manière similaire, mais avec des gaz différents. Les plasmas créés dans ces dispositifs sont généralement maintenus à des températures plus basses que ceux des éclairs ou des décharges électriques, mais restent cependant très efficaces pour produire de la lumière.​

Création d’un état du plasma

La création d’un état du plasma nécessite une source d’énergie pour ioniser le gaz ou le liquide, comme une décharge électrique ou une radiation électromagnétique intense.​

Chambre à vide et décharge gazeuse

La création d’un état du plasma peut être réalisée dans une chambre à vide, où le gaz est soumis à une faible pression.​ Dans ces conditions, une décharge électrique peut être générée entre deux électrodes, créant ainsi un plasma.​

Cette méthode permet de contrôler les paramètres du plasma, tels que la densité des particules et la température, en ajustant les conditions de la décharge et de la pression du gaz.​

Les chambres à vide sont couramment utilisées dans les applications industrielles, telles que la dépôt de couches minces et la modification de surface des matériaux.​

Elles offrent également un environnement contrôlé pour l’étude des propriétés fondamentales du plasma et la mise au point de nouvelles applications.​

Radiation électromagnétique

La radiation électromagnétique joue un rôle crucial dans la création et la maintenance d’un état du plasma.​

Lorsqu’un plasma est soumis à une radiation électromagnétique, les photons interagissent avec les particules chargées, augmentant leur énergie cinétique et favorisant ainsi l’ionisation du gaz.

Cette méthode est particulièrement efficace pour créer des plasmas à haute énergie, tels que ceux utilisés dans les réacteurs de fusion nucléaire.​

De plus, la radiation électromagnétique peut être utilisée pour diagnostiquer les propriétés du plasma, en mesurant la luminescence émise par les particules excitées.​

Cette technique est couramment employée dans les expériences de physique des plasmas et dans les applications industrielles, telles que la spectroscopie plasma.​