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Auteur(s)
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Pierre FAUCHAIS : Professeur - SPCTS (Science des procédés céramiques et des traitements de surface) - CNRS UMR 6638 - Université de Limoges-Faculté des sciences
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Lire l’articleINTRODUCTION
Les plasmas sont le quatrième état de la matière et représentent près de 99 % de l’Univers. Ils existent soit à l’état naturel (couronne solaire, Soleil, intérieur des étoiles, ionosphère, intérieur des naines blanches…), soit en laboratoire où ils sont généralement produits par des décharges électriques. Ce sont des gaz contenant des atomes, des molécules et des ions dans l’état fondamental ou dans un état excité, des électrons et des photons qui proviennent de la désexcitation des états excités. Les électrons, particules très légères par rapport aux ions et aux neutres, sont fortement accélérés par les champs électriques et/ou magnétiques et jouent un rôle tout particulier. Il existe de très nombreuses variétés de plasmas qui dépendent de la densité des électrons et de la température (ou énergie) de ces derniers. Ils se distinguent en fait par différents critères :
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leur état d’ionisation, qui peut aller de très faible (quelques électrons dans un « océan » de neutres) à totalement ionisés (il n’y a plus que des électrons et des ions) ;
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les collisions entre les particules les composant, avec des plasmas relevant de la cinétique classique et de l’équation de Boltzmann. Là encore, on peut les séparer, d’une part, en plasmas thermiques où les collisions sont très nombreuses (pression au voisinage de la pression atmosphérique) et l’ionisation due à un effet thermique et, d’autre part, en plasmas de décharges où la distance parcourue entre deux collisions est suffisamment importante pour que l’ionisation puisse se faire par collision directe ;
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les plasmas sans interactions (ou pratiquement sans collisions) où les particules chargées se déplacent sous l’effet des champs électriques et magnétiques (atmosphères où les pressions sont très faibles < 0,1 Pa) ;
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les plasmas relativistes où les vitesses des particules se rapprochent de celle de la lumière ;
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les plasmas très denses et entièrement ionisés qui se comportent comme des solides ou des liquides (particules submicroniques chargées) ;
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les plasmas relevant des statistiques quantiques comme celle de Fermi-Dirac, par exemple un gaz d’électron.
La propagation des ondes dans les plasmas est également très complexe car ils contiennent des particules chargées de masses très différentes (électrons et ions) qui vont participer à l’onde. De plus, les champs magnétiques leur donnent un caractère anisotrope. On peut donc, là encore, les classer en différentes familles par rapport à la propagation des ondes.
Cet article n’est qu’une introduction très sommaire à la présentation des plasmas.
Remerciements : ce texte reprend celui du professeur J.L. Delcroix, publié dans les Techniques de l’Ingénieur en 1980. Je tiens à rendre hommage au professeur Delcroix dont je me suis beaucoup inspiré et dont j’ai repris certains passages toujours d’actualité.
Le tableau des notations et symboles se trouve en fin d’article.
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Plasmas avec interactions
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2. Grandeurs caractéristiques des plasmas avec interactions
Ces plasmas se rencontrent pratiquement dès que la pression est supérieure à quelques dizaines de pascals.
2.1 Les collisions
Lorsque deux particules initialement séparées par une distance d s’approchent l’une de l’autre, elles commencent à interagir et si, après cette interaction, quelque changement mesurable s’est produit, on dit qu’une collision a eu lieu.
Compte tenu de leur nuage d’électrons, les particules neutres n’ont pas de collision type « boules de billards » mais elles se « sentent » bien avant d’être en contact physique. Cette interaction est due à la déformation de leur nuage électronique, ce qui entraîne d’abord une force attractive (dans le cas d’un potentiel de Lennard-Jones, cette force est ~d –7), puis fortement répulsive du fait des noyaux positifs (pour un potentiel de Lennard-Jones, cette force est ~d –13). Du fait de cette interaction, les particules sont déviées de leur trajectoire initiale.
Pour les particules neutres, avec des forces d’interaction en d –n avec
, la déviation se produit pendant un temps très court et cette collision est pratiquement celle de deux boules de billard.
Par contre, pour les particules chargées, la force d’interaction étant en d –2, les particules se « voient » de très loin et la déviation de trajectoire dure un temps non négligeable par rapport à celui existant entre deux collisions.
Lors de la collision, les particules échangent de l’énergie cinétique et/ou de l’énergie potentielle. Cela permet donc de classer les collisions en trois types.
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Collisions élastiques
Lors de ces collisions, l’énergie cinétique et la quantité de mouvement sont conservées.
toutes les collisions dans un gaz neutre à la température ambiante sont élastiques.
Un point important qu’il convient de conserver en mémoire est que la fraction d’énergie K transférée d’une particule de masse m à une particule...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BOULOS (M.), FAUCHAIS (P.), PFENDER (E.) - Thermal plasmas, fundamentals and applications. - Vol. 1 Plenum Press New York (1994).
-
(2) - DELCROIX (J.-L.), BERS (A.) - Physique des plasmas. - Interéditions/CNRS Éditions Paris (1994).
-
(3) - Von ENGEL (A.) - Electric plasmas their nature and uses. - Taylor and Francis Ltd Londres et New York (1983).
-
(4) - FAUCHAIS (P.), VARDELLE (A.) - Thermal plasmas. - IEEE Transactions on Plasma Science 25 (6) (1997) p. 1258 et p. 1280.
-
(5) - BOULOS (M.) - Inductively coupled plasmas. - Pure and Applied Chemistry 57 (1985) p. 1321-1352.
-
(6) - MOISAN (M.), ZAKRZEWSKI (Z.) - Plasma sources based on the propagation of electromagnetic surface waves. - J. Phys. D : Appl. Phys. 24 (1993) p. 1025-1045.
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