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état de la matière où sont mélangés des électrons, des ions et des noyaux atomiques De Wikipédia, l'encyclopédie libre
L'état plasma est un état de la matière, tout comme l'état solide, l'état liquide ou l'état gazeux, bien qu'il n'y ait pas de transition brusque pour passer d'un de ces états au plasma ou réciproquement. Il est visible sur Terre, à l'état naturel, le plus souvent à des températures élevées favorables aux ionisations, signifiant l’arrachement d'électrons aux atomes. On observe alors une sorte de « soupe » d'électrons extrêmement actifs, dans laquelle « baignent » également des ions ou des molécules neutres. Bien que globalement électriquement neutre, le plasma est composé d’électrons et d’ions ce qui le rend très sensible à l'action de champs électrique, magnétique et électromagnétique (internes comme externes) et ce qui rend sa dynamique, en général, d'une grande complexité. De plus, les propriétés chimiques de cet état sont assez différentes de celles des autres états ; elles sont parfois dites « exotiques ». Les exemples de plasmas les plus courants sur Terre sont les flammes de haute température et la foudre.
Le terme « plasma » (on parle aussi de « quatrième état de la matière »[alpha 1]) a été utilisé en physique pour la première fois par le physicien américain Irving Langmuir en 1928[1],[2], par analogie avec le plasma sanguin. La branche qui l'étudie est la physique des plasmas.
Dans les conditions usuelles, un milieu gazeux ne conduit pas l’électricité car il ne contient quasiment aucune particule chargée libre (électrons ou ions). Lorsque ce milieu est soumis à un champ électrique faible, il reste un isolant électrique car il n’y a pas d’augmentation du nombre de particules chargées. Mais si le gaz est soumis à un fort champ électrique (par exemple, 30 kV/cm[3] pour l'air à la pression atmosphérique), des électrons libres et des ions positifs peuvent apparaître en quantité significative de telle sorte que le gaz devienne conducteur.
Lorsque l’ionisation est suffisamment importante pour que le nombre d’électrons par unité de volume (ne) ne soit pas négligeable par rapport à celui des atomes neutres (nn), le gaz devient alors un fluide conducteur appelé plasma dont le degré d’ionisation est défini par la formule :
qui est l’un des paramètres importants pour caractériser un plasma.
Les particules chargées électriquement qui composent le plasma sont soumises aux forces de Laplace. Le fluide est donc sensible aux champs magnétiques et peut, par exemple, être dévié ou déformé par un champ magnétique (aimant par exemple).
Typiquement, l'énergie d'ionisation d'un atome ou d’une molécule est de quelques électronvolts (eV). La température nécessaire pour former un plasma en équilibre thermodynamique (généralement local) est donc celle à partir de laquelle l'énergie thermique, qui peut être estimée par le produit kT, atteint cet ordre de grandeur, c'est-à-dire lorsque kT ≈ 1 eV, soit une température d'environ 11 000 K.
Il existe une très grande diversité de plasmas, distingués par au moins une de leurs propriétés.
Par exemple, si le degré d’ionisation est considéré, les plasmas sont classés en « plasmas chauds » et « plasmas froids ». Les plasmas fortement ionisés sont nommés « plasmas chauds » par opposition des plasmas faiblement ionisés, dit plasmas froids[4].
L’échelle de température des plasmas va de la température ambiante à plusieurs millions de kelvin pour un plasma de fusion thermonucléaire. Un plasma d’arc d’environ 10 000 K fait ainsi partie de la famille des plasmas froids[5],[6].
Ceci étant dit, les frontières ne sont pas bien définies et parfois, d’autres familles comme celle des « plasmas naturels » sont définies à côté des deux familles susmentionnées. Par exemple, l’objectif de la division plasmas de la Société française de physique (SFP) est de rassembler la communauté des physiciens des trois grands domaines des plasmas (naturels, chauds ou de fusion, froids ou industriels)[7].
Les plasmas sont extrêmement répandus dans l'Univers puisqu'ils représentent plus de 99 % de la matière ordinaire[8]. Toutefois, ils passent presque inaperçus dans notre environnement proche, étant donné leurs conditions d'apparition très éloignées des conditions de température et de pression de l'atmosphère terrestre.
Ainsi, on distingue les plasmas naturels :
et les plasmas industriels :
De nombreuses autres applications ne sont encore que des expériences de laboratoire ou des prototypes (radar, amélioration de combustion, stérilisation, etc.) :
Dans de nombreuses œuvres de sciences fiction, telle que Star Wars, Halo et Transformers, le plasma et les plasmoïdes sont à la base d'armes imaginaires, souvent similaires au focalisateur de plasma dense (« canon à plasma »).
Durant les années 2010, la création de plasma à partir de raisins chauffés dans un four à micro-ondes domestique est devenue une expérience populaire répandue[9][source insuffisante]. En 2019, ce phénomène a été expliqué de manière rigoureuse[10]. Les raisins étant assimilables à de petite sphères à forte teneur en eau, la longueur des micro-ondes auxquelles on les expose est modifiée et l'énergie se concentre au centre du fruit. Lorsque deux raisins ainsi irradiés sont placés côte à côte, un transfert d'électron se produit dans le petit espace qui sépare les deux fruits, ce qui produit l'apparition de plasma.
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