Physique des plasmas Article, Signification, Explication
La physique des plasmas est une branche de la physique qui étudie les propriétés et la dynamique des plasmas.
C'est l'étude des propriétés statistiques d'un champs de particules chargées appelé plasma.
Le plasma est un gaz qui a été soumis à la quantité d'énergie suffisante pour dissocier les électrons de leurs atomes (phénomène d'ionisation). Cette ionisation produira un nuage d'ions et d'electrons. Comme ces particules sont chargées, le plasma se comportera de manière différente d'un gaz neutre en présence de champs électriques, magnétiques et électromagnétiques.
L'étude dynamique des proportions de ces particules chargées et des neutres, particules non ionisées, vont permettre de caractériser le type de plasma et ses propriétés.Elle étudie notamment les especes (neutre, électrons et ions), qui constituent un plasma et leurs interactions avec les champs électromagnétiques et les faisceaux de particules.
Le plasma est aussi nommé « quatrième état de la matière » (avec les états solide, liquide et gazeux). Historiquement le terme « plasma » a été utilisé en physique pour la première fois par le physicien américain Irving Langmuir en 1928 en analogie au plasma sanguin auquel le phénomène ressemblait visuellement. À l'origine un plasma désignait un gaz entièrement ionisé pour lequel les densités sont telles que :
Les plasmas sont extrêmement répandus dans l'univers puisqu'ils constituent plus de 99% de la matière connue. Par contre dans notre environnement proche : « la Terre » ils passent presque inaperçus puisque leurs conditions d'apparition sont très éloignées des conditions nécessaires aux besoins de la vie terrestre.
Ainsi on distingue les plasmas naturels :
Le plasma est issu d'un gaz auquel on a fourni assez d'énergie pour ioniser ses atomes. Le plasma est donc un mélange d'atomes, d'ions, d'électrons qui, ensembles, constituent un nuage globalement neutre et sont caractérisés par des comportements collectifs.
C'est parce que ces particules sont ionisées (chargées), que le gaz se comporte différemment d'un gaz neutre, par exemple sous l'action d'un champ électromagnétique.
En étudiant les plasmas on est rapidement confronté à des phénomènes complexes mélangeant mécanique des fluides et électromagnétisme.
Pour caractériser les plasmas et les phénomènes liés on utilise différentes notions :
Introduction
Par abus de langage on désigne actuellement par plasma tout gaz ionisé.
et les plasmas industriels :
Définition
La physique
Caractérisation
avec densité électronique et densité de neutre.
Concepts fondamentaux
Un plasma sous l'effet des forces de Coulomb (F=qE) et de Laplace (F=qvXB) comme tout système dynamique tend vers une position de stabilité en minimisant ses forces. On voit rapidement qu'une égalité Zni + ne = 0 permet d'atteindre cette stabilité. Seulement cette équation prise tel quelle ne permet pas de résoudre les équations de Maxwell correctement.
Pour se représenter une gaine on va étudier un plasma un peu particulier :
L'écrantage électrique défini précédemment nous permet d'identifier la longueur de Debye.
Quand on introduit ou plutôt perturbe un plasma à l'équilibre les électrons vont se mettre à osciller avec une fréquence bien définie.
Les ordres de grandeurs
| Dénomination | Densité électronique[en ] | Température électronique [K] |
|---|---|---|
| Faiblement ionisé | ||
| Ionosphère (couche basse) | ||
| Décharge dans les gazs | ||
| Fortement ionisé | ||
| Ionosphère (couche haute) | ||
| Couronne solaire | ||
| Fusion magnétique | ||
| Fusion inertielle | ||
| Dense | ||
| Cœur d'étoile | ||
| Naine blanche | ||
Un traitement liquide commun des plasmas vient d'une combinaison de équations de Navier-Stokes de la dynamique des fluides et les équations de Maxwell de l'électromagnétisme. De l'ensemble des équations résulte ce que l'on appelle la magnétohydrodynamique (ou MHD).
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Les champs de recherche et d'applications
C'est un problème majeur notamment pour toutes les recherches où un confinement est nécessaire comme pour la fusion.
Les diagnostics expérimentaux et la simulation numérique sont deux outils indispensables aux plasmiciens. La simulation numérique des plasmas est très gourmande en puissance machine de par la complexité des interactions à traiter. Actuellement les codes de calcul sont essentiellement des codes 1D ou 2D particulaires, 2D et 3D fluides. De nombreux codes sont des codes hybrides.
Actuellement c'est le domaine le plus développé du point de vue industriel. Les plasmas sont utilisés pour la gravure des microprocesseurs et autres composants. Le dépôt intervient lui aussi en microélectronique associé étroitement à la gravure. Mais il est utilisé aussi dans des technologies liées aux couches minces, dans d'autres domaines comme l'optique ou pour l'ajout de couches de protections en métallurgie. (miroir, etc.)
Utilisés en microélectronique, ces traitements permettent de modifier la surface de cibles immergées dans le plasma afin de rendre les matériaux biocompatibles, resistants à la corrosion ou d'une plus grande dureté selon le traitement mais surtout de réaliser des dopages pour jonction de surface (ultra-shallow doping) dans l'industrie des semi-conducteurs.
La physique des plasmas est importante en astrophysique car de nombreux objets astronomiques comme les étoiles, les disques d'accrétion, les nébuleuses, et le milieu interstellaire sont composés de plasma.
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