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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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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 sans interactions
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3. Plasmas avec interactions
3.1 Équations de conservation
Le calcul des flux à partir de l’équation de Boltzmann (cf. § 2.3.3) permet d’établir les équations macroscopiques de conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de l’énergie. Par exemple, la conservation de la masse du composant k s’écrit :
avec :
-
- vitesse du composant k
- Γk :
- terme de production de l’espèce k qui s’exprime en kg/m3.s.
De même, on peut écrire la conservation des électrons :
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