Plasma (physique) -Plasma (physics)

En haut : la foudre et les néons sont des générateurs de plasma courants. En bas à gauche : Un globe de plasma , illustrant certains des phénomènes de plasma les plus complexes, y compris la filamentation . En bas à droite : Une traînée de plasma de la navette spatiale Atlantis lors de sa rentrée dans l'atmosphère terrestre , vue depuis la Station spatiale internationale .

Le plasma (du grec ancien πλάσμα  « substance moulable ») est l'un des quatre états fondamentaux de la matière . Il contient une part importante de particules chargées – ions et/ou électrons . La présence de ces particules chargées est ce qui distingue principalement le plasma des autres états fondamentaux de la matière. C'est la forme la plus abondante de matière ordinaire dans l' univers , étant principalement associée aux étoiles , dont le Soleil . Elle s'étend au milieu intracluster raréfié et éventuellement aux régions intergalactiques. Le plasma peut être généré artificiellement en chauffant un gaz neutre ou en le soumettant à un fort champ électromagnétique .

La présence de particules chargées rend le plasma électriquement conducteur , la dynamique des particules individuelles et le mouvement macroscopique du plasma étant régis par des champs électromagnétiques collectifs et très sensibles aux champs appliqués de l'extérieur. La réponse du plasma aux champs électromagnétiques est utilisée dans de nombreux dispositifs technologiques modernes, tels que les téléviseurs à plasma ou la gravure au plasma .

Selon la température et la densité, une certaine quantité de particules neutres peut également être présente, auquel cas le plasma est dit partiellement ionisé . Les enseignes au néon et la foudre sont des exemples de plasmas partiellement ionisés. Contrairement aux transitions de phase entre les trois autres états de la matière, la transition vers le plasma n'est pas bien définie et est une question d'interprétation et de contexte. La question de savoir si un degré donné d'ionisation suffit pour appeler une substance "plasma" dépend du phénomène spécifique considéré.

Histoire ancienne

Microchamps de plasma calculés par une simulation à N corps . Notez les électrons en mouvement rapide et les ions lents. Il ressemble à un fluide corporel .

Le plasma a été identifié pour la première fois en laboratoire par Sir William Crookes . Crookes a présenté une conférence sur ce qu'il a appelé la "matière rayonnante" à la British Association for the Advancement of Science , à Sheffield, le vendredi 22 août 1879. Les études systématiques du plasma ont commencé avec les recherches d' Irving Langmuir et de ses collègues dans les années 1920. Langmuir a également introduit le terme "plasma" comme description du gaz ionisé en 1928 :

Sauf près des électrodes, où il y a des gaines contenant très peu d'électrons, le gaz ionisé contient des ions et des électrons en nombre à peu près égal, de sorte que la charge d'espace résultante est très faible. Nous utiliserons le nom de plasma pour décrire cette région contenant des charges équilibrées d'ions et d'électrons.

Lewi Tonks et Harold Mott-Smith, qui ont tous deux travaillé avec Langmuir dans les années 1920, rappellent que Langmuir a d'abord utilisé le terme par analogie avec le plasma sanguin . Mott-Smith rappelle notamment que le transport des électrons à partir des filaments thermioniques rappelait à Langmuir « la façon dont le plasma sanguin transporte les globules rouges et blancs et les germes ».

Définitions

Le quatrième état de la matière

Le plasma est appelé le quatrième état de la matière après le solide , le liquide et le gaz . C'est un état de la matière dans lequel une substance ionisée devient hautement conductrice d'électricité au point que les champs électriques et magnétiques à longue portée dominent son comportement.

Le plasma est généralement un milieu électriquement quasi neutre de particules positives et négatives non liées (c'est-à-dire que la charge globale d'un plasma est à peu près nulle). Bien que ces particules ne soient pas liées, elles ne sont pas « libres » dans le sens où elles ne subissent pas de forces. Les particules chargées en mouvement génèrent des courants électriques, et tout mouvement d'une particule de plasma chargée affecte et est affecté par les champs créés par les autres charges. À son tour, cela régit le comportement collectif avec de nombreux degrés de variation.

Le plasma est distinct des autres états de la matière. En particulier, décrire un plasma à faible densité comme simplement un "gaz ionisé" est faux et trompeur, même s'il est similaire à la phase gazeuse en ce que les deux n'assument aucune forme ou volume défini. Le tableau suivant résume quelques différences principales :

Propriété Gaz Plasma
Interactions Binaire : Les collisions à deux particules sont la règle, les collisions à trois corps extrêmement rares. Collectif : Les ondes , ou mouvement organisé du plasma, sont très importantes car les particules peuvent interagir sur de longues distances grâce aux forces électriques et magnétiques.
Conductivité électrique Très faible : Les gaz sont d'excellents isolants jusqu'à des intensités de champ électrique de plusieurs dizaines de kilovolts par centimètre. Très élevé : Dans de nombreux cas, la conductivité d'un plasma peut être considérée comme infinie.
Espèces agissant indépendamment Un : Toutes les particules de gaz se comportent de la même manière, largement influencées par les collisions entre elles et par la gravité . Deux ou plus : Les électrons et les ions possèdent des charges différentes et des masses très différentes, de sorte qu'ils se comportent différemment dans de nombreuses circonstances, avec différents types d'ondes et d' instabilités spécifiques au plasma qui en résultent.
Répartition de la vitesse Maxwellien : Les collisions conduisent généralement à une distribution de vitesse maxwellienne de toutes les particules de gaz. Souvent non maxwellienne : Les interactions collisionnelles sont relativement faibles dans les plasmas chauds et des forces externes peuvent éloigner le plasma de l'équilibre local.

Plasma idéal

Trois facteurs définissent un plasma idéal :

  • L'approximation plasma : L'approximation plasma s'applique lorsque le paramètre plasma Λ, représentant le nombre de porteurs de charge dans la sphère de Debye est très supérieur à l'unité. On peut facilement montrer que ce critère équivaut à la petitesse du rapport des densités d'énergie électrostatique et thermique du plasma. De tels plasmas sont dits faiblement couplés.
  • Interactions de masse : La longueur de Debye est beaucoup plus petite que la taille physique du plasma. Ce critère signifie que les interactions dans la masse du plasma sont plus importantes que celles à ses bords, où des effets de frontière peuvent avoir lieu. Lorsque ce critère est satisfait, le plasma est quasi neutre.
  • Sans collision : La fréquence du plasma d'électrons (mesurant les oscillations du plasma des électrons) est beaucoup plus grande que la fréquence de collision électron-neutre. Lorsque cette condition est valide, les interactions électrostatiques dominent les processus de la cinétique ordinaire des gaz. De tels plasmas sont dits sans collision.

Plasma non neutre

La force et la portée de la force électrique et la bonne conductivité des plasmas garantissent généralement que les densités de charges positives et négatives dans toute région importante sont égales ("quasineutralité"). Un plasma présentant un excès important de densité de charge, ou, dans le cas extrême, composé d'une seule espèce, est appelé plasma non neutre . Dans un tel plasma, les champs électriques jouent un rôle prédominant. Des exemples sont des faisceaux de particules chargées , un nuage d'électrons dans un piège de Penning et des plasmas de positrons.

Plasma poussiéreux

Un plasma poussiéreux contient de minuscules particules de poussière chargées (que l'on trouve généralement dans l'espace). Les particules de poussière acquièrent des charges élevées et interagissent les unes avec les autres. Un plasma qui contient des particules plus grosses est appelé plasma à grains. Dans des conditions de laboratoire, les plasmas poussiéreux sont également appelés plasmas complexes .

Propriétés et paramètres

Représentation artistique de la fontaine de plasma de la Terre , montrant des ions d'oxygène, d'hélium et d'hydrogène qui jaillissent dans l'espace à partir de régions proches des pôles de la Terre. La zone jaune pâle affichée au-dessus du pôle nord représente le gaz perdu de la Terre dans l'espace ; la zone verte est l' aurore boréale , où l'énergie du plasma se déverse dans l'atmosphère.

Densité et degré d'ionisation

Pour que le plasma existe, l' ionisation est nécessaire. Le terme "densité de plasma" en lui-même fait généralement référence à la densité électronique , c'est-à-dire au nombre d'électrons contributeurs de charge par unité de volume. Le degré d'ionisation est défini comme la fraction de particules neutres ionisées :

où est la densité ionique et la densité neutre (en nombre de particules par unité de volume). Dans le cas d'une matière entièrement ionisée, . En raison de la quasi-neutralité du plasma, les densités d'électrons et d'ions sont liées par , où est la charge ionique moyenne (en unités de la charge élémentaire ).

Température

La température du plasma, couramment mesurée en kelvin ou électronvolts , est une mesure de l'énergie cinétique thermique par particule. Des températures élevées sont généralement nécessaires pour maintenir l'ionisation, qui est une caractéristique déterminante d'un plasma. Le degré d'ionisation du plasma est déterminé par la température des électrons par rapport à l' énergie d'ionisation (et plus faiblement par la densité). A l' équilibre thermique , la relation est donnée par l' équation de Saha . À basse température, les ions et les électrons ont tendance à se recombiner dans des états liés - des atomes - et le plasma finira par devenir un gaz.

Dans la plupart des cas, les électrons et les particules lourdes du plasma (ions et atomes neutres) ont séparément une température relativement bien définie ; c'est-à-dire que leur fonction de distribution d'énergie est proche d'un maxwellien même en présence de champs électriques ou magnétiques puissants . Cependant, en raison de la grande différence de masse entre les électrons et les ions, leurs températures peuvent être différentes, parfois de manière significative. Ceci est particulièrement courant dans les plasmas technologiques faiblement ionisés, où les ions sont souvent proches de la température ambiante tandis que les électrons atteignent des milliers de kelvin. Le cas opposé est le plasma z-pinch où la température des ions peut dépasser celle des électrons.

Potentiel plasmatique

La foudre comme exemple de plasma présent à la surface de la Terre : En règle générale, la foudre décharge 30 kiloampères jusqu'à 100 mégavolts et émet des ondes radio, de la lumière, des rayons X et même des rayons gamma. Les températures du plasma peuvent approcher 30 000 K et les densités électroniques peuvent dépasser 10 24 m −3 .

Les plasmas étant de très bons conducteurs électriques, les potentiels électriques jouent un rôle important. Le potentiel moyen dans l'espace entre les particules chargées, indépendamment de la façon dont il peut être mesuré, est appelé le "potentiel de plasma", ou le "potentiel d'espace". Si une électrode est insérée dans un plasma, son potentiel se situera généralement considérablement en dessous du potentiel du plasma en raison de ce qu'on appelle une gaine Debye . La bonne conductivité électrique des plasmas rend leurs champs électriques très faibles. Cela se traduit par le concept important de "quasineutralité", qui dit que la densité de charges négatives est approximativement égale à la densité de charges positives sur de grands volumes de plasma ( ), mais à l'échelle de la longueur de Debye , il peut y avoir un déséquilibre de charge . Dans le cas particulier où des doubles couches sont formées, la séparation de charges peut s'étendre sur quelques dizaines de longueurs de Debye.

L'amplitude des potentiels et des champs électriques doit être déterminée par des moyens autres que la simple détermination de la densité de charge nette . Un exemple courant est de supposer que les électrons satisfont la relation de Boltzmann :

La différenciation de cette relation permet de calculer le champ électrique à partir de la densité :

Il est possible de produire un plasma non quasi neutre. Un faisceau d'électrons, par exemple, n'a que des charges négatives. La densité d'un plasma non neutre doit généralement être très faible, ou elle doit être très faible, sinon, elle sera dissipée par la force électrostatique répulsive .

Magnétisation

L'existence de particules chargées fait que le plasma génère et est affecté par des champs magnétiques . Un plasma avec un champ magnétique suffisamment fort pour influencer le mouvement des particules chargées est dit magnétisé. Un critère quantitatif courant est qu'une particule complète en moyenne au moins une giration autour de la ligne de champ magnétique avant de faire une collision, c'est-à-dire , où est la gyrofréquence électronique et est le taux de collision électronique. Il arrive souvent que les électrons soient magnétisés alors que les ions ne le sont pas. Les plasmas magnétisés sont anisotropes , c'est-à-dire que leurs propriétés dans la direction parallèle au champ magnétique sont différentes de celles qui lui sont perpendiculaires. Alors que les champs électriques dans les plasmas sont généralement faibles en raison de la conductivité élevée du plasma, le champ électrique associé à un plasma se déplaçant avec une vitesse dans le champ magnétique est donné par la formule de Lorentz habituelle et n'est pas affecté par le blindage Debye .

Descriptions mathématiques

Les lignes de champ magnétique auto-contraignantes complexes et les chemins de courant dans un courant de Birkeland aligné sur le champ qui peut se développer dans un plasma.

Pour décrire complètement l'état d'un plasma, tous les emplacements et vitesses des particules qui décrivent le champ électromagnétique dans la région du plasma devraient être écrits. Cependant, il n'est généralement pas pratique ou nécessaire de garder une trace de toutes les particules dans un plasma. Par conséquent, les physiciens des plasmas utilisent couramment des descriptions moins détaillées, dont il existe deux types principaux :

Modèle fluide

Les modèles fluides décrivent les plasmas en termes de quantités lissées, comme la densité et la vitesse moyenne autour de chaque position (voir Paramètres du plasma ). Un modèle de fluide simple, la magnétohydrodynamique , traite le plasma comme un fluide unique régi par une combinaison des équations de Maxwell et des équations de Navier-Stokes . Une description plus générale est le plasma à deux fluides, où les ions et les électrons sont décrits séparément. Les modèles de fluides sont souvent précis lorsque la collisionalité est suffisamment élevée pour maintenir la distribution de la vitesse du plasma proche d'une distribution de Maxwell-Boltzmann . Étant donné que les modèles fluides décrivent généralement le plasma en termes d'un seul flux à une certaine température à chaque emplacement spatial, ils ne peuvent ni capturer les structures spatiales de vitesse comme les faisceaux ou les doubles couches , ni résoudre les effets onde-particule.

Modèle cinétique

Les modèles cinétiques décrivent la fonction de distribution de la vitesse des particules en chaque point du plasma et n'ont donc pas besoin de supposer une distribution Maxwell-Boltzmann . Une description cinétique est souvent nécessaire pour les plasmas sans collision. Il existe deux approches courantes de la description cinétique d'un plasma. L'une est basée sur la représentation de la fonction de distribution lissée sur une grille en vitesse et en position. L'autre, connue sous le nom de technique de particules dans la cellule (PIC), comprend des informations cinétiques en suivant les trajectoires d'un grand nombre de particules individuelles. Les modèles cinétiques sont généralement plus gourmands en calcul que les modèles fluides. L' équation de Vlasov peut être utilisée pour décrire la dynamique d'un système de particules chargées interagissant avec un champ électromagnétique. Dans les plasmas magnétisés, une approche gyrocinétique peut réduire considérablement les dépenses de calcul d'une simulation entièrement cinétique.

Science et technologie du plasma

Les plasmas font l'objet d'études du domaine académique de la science des plasmas ou de la physique des plasmas , y compris des sous-disciplines telles que la physique des plasmas spatiaux . Il implique actuellement les domaines de recherche actifs suivants et des fonctionnalités dans de nombreuses revues , dont l'intérêt comprend :

Les plasmas peuvent apparaître dans la nature sous diverses formes et emplacements, qui peuvent être résumés de manière utile dans le tableau suivant :

Formes courantes de plasma
Produit artificiellement Plasmas terrestres Plasmas spatiaux et astrophysiques

Espace et astrophysique

Les plasmas sont de loin la phase la plus courante de la matière ordinaire dans l'univers, à la fois en masse et en volume.

Au-dessus de la surface de la Terre, l'ionosphère est un plasma et la magnétosphère contient du plasma. Au sein de notre système solaire, l'espace interplanétaire est rempli du plasma expulsé par le vent solaire , s'étendant de la surface du Soleil jusqu'à l' héliopause . De plus, toutes les étoiles lointaines et une grande partie de l'espace interstellaire ou de l'espace intergalactique sont également probablement remplies de plasma, bien qu'à de très faibles densités. Des plasmas astrophysiques sont également observés dans des disques d'accrétion autour d'étoiles ou d'objets compacts comme des naines blanches , des étoiles à neutrons ou des trous noirs dans des systèmes d'étoiles binaires proches . Le plasma est associé à l'éjection de matière dans des jets astrophysiques , qui ont été observés avec des trous noirs en accrétion ou dans des galaxies actives comme le jet de M87 qui s'étend peut-être jusqu'à 5 000 années-lumière.

Plasmas artificiels

La plupart des plasmas artificiels sont générés par l'application de champs électriques et/ou magnétiques à travers un gaz. Le plasma généré en laboratoire et à usage industriel peut être généralement classé par :

  • Le type de source d'alimentation utilisée pour générer le plasma - CC, CA (généralement avec radiofréquence ( RF )) et micro-ondes
  • La pression à laquelle ils fonctionnent - pression de vide (< 10 mTorr ou 1 Pa), pression modérée (≈1 Torr ou 100 Pa), pression atmosphérique (760 Torr ou 100 kPa)
  • Le degré d'ionisation dans le plasma - entièrement, partiellement ou faiblement ionisé
  • Les relations de température au sein du plasma - plasma thermique ( ), plasma non thermique ou « froid » ( )
  • La configuration des électrodes utilisées pour générer le plasma
  • L'aimantation des particules dans le plasma - magnétisé (les ions et les électrons sont piégés dans les orbites de Larmor par le champ magnétique), partiellement magnétisé (les électrons mais pas les ions sont piégés par le champ magnétique), non magnétisé (le champ magnétique est trop faible pour piéger les particules en orbite mais peut générer des forces de Lorentz )

Génération de plasma artificiel

Représentation simple d'un tube à décharge - plasma.png
Plasma artificiel produit dans l'air par une échelle de Jacob
Plasma artificiel produit dans l'air par une échelle de Jacob

Tout comme les nombreuses utilisations du plasma, il existe plusieurs moyens pour sa génération. Cependant, un principe est commun à tous : il doit y avoir un apport d'énergie pour le produire et le maintenir. Dans ce cas, le plasma est généré lorsqu'un courant électrique est appliqué à travers un gaz ou un fluide diélectrique (un matériau électriquement non conducteur ) comme on peut le voir dans l'image adjacente, qui montre un tube à décharge comme exemple simple ( DC utilisé pour la simplicité ).

La différence de potentiel et le champ électrique qui en résulte tirent les électrons liés (négatifs) vers l' anode (électrode positive) tandis que la cathode (électrode négative) tire le noyau. Lorsque la tension augmente, le courant contraint le matériau (par polarisation électrique ) au-delà de sa limite diélectrique (appelée résistance) à un stade de claquage électrique , marqué par une étincelle électrique , où le matériau se transforme d' isolant en conducteur (comme il devient de plus en plus ionisé ). Le processus sous-jacent est l' avalanche de Townsend , où les collisions entre les électrons et les atomes de gaz neutres créent plus d'ions et d'électrons (comme on peut le voir sur la figure de droite). Le premier impact d'un électron sur un atome donne un ion et deux électrons. Par conséquent, le nombre de particules chargées n'augmente rapidement (par millions) qu'"après environ 20 séries successives de collisions", principalement en raison d'un faible libre parcours moyen (distance moyenne parcourue entre les collisions).

Arc électrique
Processus d'ionisation en cascade. Les électrons sont "e−", les atomes neutres "o" et les cations "+".
Effet d'avalanche entre deux électrodes. L'événement d'ionisation d'origine libère un électron, et chaque collision ultérieure libère un électron supplémentaire, de sorte que deux électrons émergent de chaque collision : l'électron ionisant et l'électron libéré.

Avec une densité de courant et une ionisation suffisantes, cela forme un arc électrique lumineux (une décharge électrique continue semblable à la foudre ) entre les électrodes. La résistance électrique le long de l'arc électrique continu crée de la chaleur , qui dissocie plus de molécules de gaz et ionise les atomes résultants (où le degré d'ionisation est déterminé par la température), et selon la séquence : solide - liquide - gaz - plasma, le gaz est progressivement tourné dans un plasma thermique. Un plasma thermique est en équilibre thermique , c'est-à-dire que la température est relativement homogène dans l'ensemble des particules lourdes (ie atomes, molécules et ions) et des électrons. En effet, lors de la génération de plasmas thermiques, de l'énergie électrique est donnée aux électrons qui, du fait de leur grande mobilité et de leur grand nombre, sont capables de la disperser rapidement et par collision élastique (sans perte d'énergie) aux particules lourdes.

Exemples de plasma industriel/commercial

En raison de leurs plages de température et de densité importantes, les plasmas trouvent des applications dans de nombreux domaines de la recherche, de la technologie et de l'industrie. Par exemple, dans : la métallurgie industrielle et extractive , les traitements de surface tels que la projection plasma (revêtement), la gravure en microélectronique, la découpe et le soudage des métaux ; ainsi que dans le nettoyage quotidien des gaz d'échappement des véhicules et des lampes fluorescentes / luminescentes , l'allumage du carburant, tout en jouant même un rôle dans les moteurs à combustion supersoniques pour l'ingénierie aérospatiale .

Décharges à basse pression
  • Plasmas à décharge luminescente : plasmas non thermiques générés par l'application d'un champ électrique DC ou RF basse fréquence (<100 kHz) à l'espace entre deux électrodes métalliques. Probablement le plasma le plus courant ; c'est le type de plasma généré danstubes fluorescents .
  • Plasma à couplage capacitif (CCP) : similaire aux plasmas à décharge luminescente, mais généré avec des champs électriques RF à haute fréquence, généralement de 13,56 MHz . Celles-ci diffèrent des décharges luminescentes en ce que les gaines sont beaucoup moins intenses. Ceux-ci sont largement utilisés dans les industries de la microfabrication et de la fabrication de circuits intégrés pour la gravure au plasma et le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma.
  • Cascaded Arc Plasma Source : un dispositif pour produire des plasmas haute densité (HDP) à basse température (≈1eV).
  • Plasma à couplage inductif (ICP) : similaire à un CCP et avec des applications similaires mais l'électrode est constituée d'une bobine enroulée autour de la chambre où le plasma est formé.
  • Plasma chauffé par onde : similaire au CCP et à l'ICP en ce qu'il est généralement RF (ou micro-ondes). Les exemples incluent la décharge hélicon et la résonance cyclotron électronique (ECR).
Pression atmosphérique
  • Décharge en arc : il s'agit d'une décharge thermique de forte puissance à très haute température (≈10 000 K). Il peut être généré à l'aide de diverses alimentations. Il est couramment utilisé dansprocédés métallurgiques . Par exemple, il est utilisé pour fondre des minéraux contenant de l'Al 2 O 3 pour produire de l'aluminium .
  • Décharge corona : il s'agit d'une décharge non thermique générée par l'application d'une haute tension aux extrémités pointues des électrodes. Il est couramment utilisé dans les générateurs d' ozone et les précipitateurs de particules.
  • Décharge à barrière diélectrique (DBD) : il s'agit d'une décharge non thermique générée par l'application de hautes tensions à travers de petits espaces dans laquelle un revêtement non conducteur empêche la transition de la décharge plasma en arc. Il est souvent mal étiqueté décharge « Corona » dans l'industrie et a une application similaire aux décharges corona. Une utilisation courante de cette décharge est dans un actionneur à plasma pour la réduction de la traînée du véhicule. Il est également largement utilisé dans le traitement de nappes de tissus. L'application de la décharge sur les tissus synthétiques et les matières plastiques fonctionnalise la surface et permet l'adhésion des peintures, colles et matériaux similaires. La décharge à barrière diélectrique a été utilisée au milieu des années 1990 pour montrer que le plasma à basse température et à pression atmosphérique est efficace pour inactiver les cellules bactériennes. Ces travaux et des expériences ultérieures utilisant des cellules de mammifères ont conduit à l'établissement d'un nouveau domaine de recherche connu sous le nom de médecine du plasma . La configuration de décharge à barrière diélectrique a également été utilisée dans la conception de jets de plasma à basse température. Ces jets de plasma sont produits par des ondes d'ionisation guidées à propagation rapide appelées balles de plasma.
  • Décharge capacitive : il s'agit d'un plasma non thermique généré par l'application d'une puissance RF (par exemple, 13,56 MHz ) à une électrode alimentée, avec une électrode mise à la terre maintenue à une petite distance de séparation de l'ordre de 1 cm. De telles décharges sont couramment stabilisées à l'aide d'un gaz noble tel que l'hélium ou l'argon.
  • " Plasma à décharge directe piézoélectrique : " est un plasma non thermique généré au côté haut d'un transformateur piézoélectrique (PT). Cette variante de génération est particulièrement adaptée aux appareils à haut rendement et compacts où une alimentation électrique haute tension séparée n'est pas souhaitée.

Convertisseurs MHD

Un effort mondial a été lancé dans les années 1960 pour étudier les convertisseurs magnétohydrodynamiques afin de commercialiser la conversion de puissance MHD avec des centrales électriques commerciales d'un nouveau type, convertissant l' énergie cinétique d'un plasma à haute vitesse en électricité sans pièces mobiles à un rendement élevé . Des recherches ont également été menées dans le domaine de l'aérodynamique supersonique et hypersonique pour étudier l'interaction du plasma avec les champs magnétiques pour éventuellement réaliser un contrôle passif et même actif des flux autour des véhicules ou des projectiles, afin d'adoucir et d'atténuer les ondes de choc , de réduire le transfert thermique et de réduire la traînée .

Ces gaz ionisés utilisés dans la "technologie plasma" (plasmas "technologiques" ou "techniques") sont généralement des gaz faiblement ionisés dans le sens où seule une infime fraction des molécules de gaz est ionisée. Ces types de gaz faiblement ionisés sont également des plasmas "froids" non thermiques. En présence de champs magnétiques, l'étude de tels gaz non thermiques faiblement ionisés magnétisés fait appel à la magnétohydrodynamique résistive à faible nombre de Reynolds magnétique , un domaine difficile de la physique des plasmas où les calculs nécessitent des tenseurs dyadiques dans un espace des phases à 7 dimensions . Lorsqu'elle est utilisée en combinaison avec un paramètre Hall élevé , une valeur critique déclenche l' instabilité électrothermique problématique qui a limité ces développements technologiques.

Phénomènes plasmatiques complexes

Bien que les équations sous-jacentes régissant les plasmas soient relativement simples, le comportement des plasmas est extraordinairement varié et subtil : l'émergence d'un comportement inattendu à partir d'un modèle simple est une caractéristique typique d'un système complexe . De tels systèmes se situent en quelque sorte à la frontière entre un comportement ordonné et désordonné et ne peuvent généralement être décrits ni par des fonctions mathématiques simples et régulières, ni par un pur hasard. La formation spontanée de caractéristiques spatiales intéressantes sur une large gamme d'échelles de longueur est une manifestation de la complexité du plasma. Les caractéristiques sont intéressantes, par exemple, parce qu'elles sont très nettes, spatialement intermittentes (la distance entre les caractéristiques est beaucoup plus grande que les caractéristiques elles-mêmes) ou ont une forme fractale . Bon nombre de ces caractéristiques ont d'abord été étudiées en laboratoire et ont ensuite été reconnues dans tout l'univers. Des exemples de complexité et de structures complexes dans les plasmas comprennent :

Filamentation

Des stries ou des structures en forme de cordes, également connues sous le nom de courants de Birkeland , sont observées dans de nombreux plasmas, comme la boule de plasma , l' aurore , la foudre , les arcs électriques , les éruptions solaires et les restes de supernova . Ils sont parfois associés à des densités de courant plus importantes et l'interaction avec le champ magnétique peut former une structure de câble magnétique . (Voir aussi Plasma pincée )

La filamentation fait également référence à l'auto-focalisation d'une impulsion laser de haute puissance. Aux puissances élevées, la partie non linéaire de l' indice de réfraction devient importante et provoque un indice de réfraction plus élevé au centre du faisceau laser, où le laser est plus brillant que sur les bords, provoquant une rétroaction qui focalise encore plus le laser. Le laser focalisé plus serré a une luminosité de crête plus élevée (irradiance) qui forme un plasma. Le plasma a un indice de réfraction inférieur à un, et provoque une défocalisation du faisceau laser. L'interaction de l'indice de réfraction focalisant et du plasma défocalisant permet la formation d'un long filament de plasma pouvant mesurer des micromètres à des kilomètres de long. Un aspect intéressant du plasma généré par filamentation est la densité ionique relativement faible due aux effets de défocalisation des électrons ionisés. (Voir aussi Propagation du filament )

Plasma imperméable

Le plasma imperméable est un type de plasma thermique qui agit comme un solide imperméable vis-à-vis du gaz ou du plasma froid et peut être poussé physiquement. L'interaction du gaz froid et du plasma thermique a été brièvement étudiée par un groupe dirigé par Hannes Alfvén dans les années 1960 et 1970 pour ses applications possibles dans l'isolation du plasma de fusion des parois du réacteur. Cependant, plus tard, il a été découvert que les champs magnétiques externes dans cette configuration pouvaient induire des instabilités de pli dans le plasma et conduire par la suite à une perte de chaleur étonnamment élevée vers les parois. En 2013, un groupe de scientifiques des matériaux a rapporté avoir réussi à générer un plasma imperméable stable sans confinement magnétique en utilisant uniquement une couverture à ultra haute pression de gaz froid. Alors que les données spectroscopiques sur les caractéristiques du plasma étaient prétendument difficiles à obtenir en raison de la haute pression, l'effet passif du plasma sur la synthèse de différentes nanostructures suggérait clairement le confinement efficace. Ils ont également montré qu'en maintenant l'imperméabilité pendant quelques dizaines de secondes, l'écrantage des ions à l'interface plasma-gaz pouvait donner lieu à un fort mode d'échauffement secondaire (appelé échauffement visqueux) conduisant à différentes cinétiques de réactions et à la formation de complexes. les nanomatériaux .

Galerie

Voir également

Transitions de phase de la matière ()
À
À partir de
Solide Liquide Gaz Plasma
Solide Fusion Sublimation
Liquide Gelé Vaporisation
Gaz Déposition Condensation Ionisation
Plasma Recombinaison

Remarques

  1. ^ Le matériau subit divers "régimes" ou étapes (par exemple saturation, claquage, lueur, transition et arc thermique) à mesure que la tension augmente sous la relation tension-courant. La tension monte jusqu'à sa valeur maximale dans l'étage de saturation, puis subit les fluctuations des différents étages ; tandis que le courant augmente progressivement partout.
  2. ^ Dans la littérature, il ne semble pas y avoir de définition stricte de l'endroit où se situe la frontière entre un gaz et un plasma. Néanmoins, il suffit de dire qu'à 2 000 °C les molécules de gaz s'atomisent et s'ionisent à 3 000 °C et « dans cet état, [le] gaz a une viscosité liquide à la pression atmosphérique et les charges électriques libres confèrent une viscosité relativement élevée des conductivités électriques qui peuvent se rapprocher de celles des métaux. »
  3. ^ Notez que les plasmas non thermiques ou hors équilibre ne sont pas aussi ionisés et ont des densités d'énergie plus faibles, et donc la température n'est pas dispersée uniformément entre les particules, où certaines lourdes restent "froides".

Les références

Liens externes