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Plasma (physique)
plasma ball

en physique et chimie, la plasma est un gaz ionisé, constitué par un ensemble de électrons et ions et globalement neutre (dont charge électrique soit un total est rien). En tant que tel, le plasma est considéré comme le quatrième état de matière, qui diffère donc de solide, la liquide et l 'aériforme, tandis que le terme "ionisée« Indique qui a été déchiré par une fraction non négligeable de électrons de leur atomes.

Il a été identifié par monsieur William Crookes en 1879 et appelé « plasma » par Irving Langmuir en 1928[1]. La recherche de Crookes a conduit à la création de ce qu'on appelle tubes Crookes, les ancêtres des tubes à rayons cathodiques et lampes au néon.

Être composé de particules chargées, la mouvements au total particules plasma sont en grande partie en raison de forces électriques à long terme qui sont constamment en cours de création, et qui à son tour a tendance à maintenir le plasma neutre totale; Ce fait établit une différence importante par rapport à gaz ordinaire, dans laquelle au lieu des mouvements de particules sont dues à des forces qui se prolongent au maximum pour une prime près[2]. Les charges électriques libres causent le plasma est un bon conducteur de électricité, et qui répond fortement à champs électromagnétiques.

Alors que sur terre la présence du plasma est relativement rare (exception: foudre et Northern Lights), Dans 'univers constitue plus de 99% de la matière connue: en effet se trouvent sous la forme du plasma soleil, la étoiles et nébuleuses. Il convient de noter, toutefois, que la matière connue ne représente qu'un faible pourcentage, égal à environ 5%, de l'ensemble du contenu de la matière et énergie Univers, tandis que les 95% restants sont constitués par ce qu'on appelle l'énergie sombre et matière noire, ou ne peuvent pas être détectées formes d'énergie et de matières directement par leur les émissions électromagnétiques. Enfin, un autre exemple du plasma est représenté par la couche de gaz ionisé très chaud et qui est formée sur la bouclier thermique de véhicules spatiaux le retour dans 'atmosphère.

la physique des plasmas Histoire

Plasma (physique)
Gravure du temps qui reproduit la célèbre expérience Benjamin Franklin la nature puissance la foudre

Le plasma est souvent désigné comme le « quatrième état » de la matière en ce sens, il reproduit l'idée de quatre éléments (la feu, la terre, l 'air et l 'eau), Qui date historiquement retour à philosophe grec Empedocle. Les premières expériences sur des plasmas, cependant, coïncident avec les premières découvertes sur 'électromagnétisme. Les premières découvertes sur les propriétés de des décharges électriques dans les gaz remontent à la légendaire expérience Benjamin Franklin, qui a découvert la nature électrique de foudre15 Juin 1752, à Philadelphie, il a utilisé comme dispositif cerf-volant, attaché à l'extrémité d'un fil chanvre. A l'autre bout il a accroché une clé, et a le cerf-volant près de la nuages au cours d'une orage. Ayant à distance avec une bande soie la fin avec la touche, pour protéger vos mains, vu que la clé se déplaçait par l'accumulation de charges électriques, et pourrait être chargé avec un Leyden jar (Un type d'expérience qu'il avait déjà fait dans ses études sur 'électrostatique).[3]

Des études plus précises coïncident avec la création des premiers tubes à vide, la tubes Crookes en effet, que Sir William Crookes Il a commencé à étudier dans les années après 1870 la modification du prototype créé par Heinrich Geissler, qui est appelé juste tube de Geissler. Juste un tube comme celui-ci apporté Röntgen de découvrir les Rayons X.

Les études sur les plasmas, cependant, sont restés plus d'une curiosité: à l'exception des études approfondies Nikola Tesla sur des décharges de plasma RF[4], sur lampes à plasma, le plasma froid pour la production d'ozone[5][6][7][8] et les plasmons[9], et Irving Langmuir, qui a étudié en particulier (dans les années après 1920) L'interaction du plasma avec les parois du récipient dans lequel les mêmes plasmas ont été formés: à cause de ces études, il a remporté le prix Nobel en 1932. L'intérêt systématique dans l'étude des plasmas commence à la place à la fin de la cinquantaine, lorsque le Conférence de Genève Atomes pour la paix[10] Elle marque le début des études sur une exploitation pacifique Fusion nucléaire. Contemporaine est la constitution de l'Agence internationale pour l'énergie atomique (AIEA, 1957).

À peu près au même moment où ils commencent les premières études sur les effets d'un champ magnétique le gaz ionisés (par ex. de ionosphère) Fait par le physicien suédois Hannes Alfvén, qui le conduira à gagner la prix Nobel en 1970. Ces études conduiront à l'explication du mécanisme Van Allen ceintures en termes de mouvements de ions et électrons.

Aujourd'hui, la physique des plasmas est une industrie en plein essor, non seulement en ce qui concerne Fusion nucléaire, mais aussi des applications industrielles (traitement des surfaces, la découpe au plasma, la écrans plasma) Et la propulsion spatiale.

La production d'un plasma

icône Loupe mgx2.svg Le même sujet en détail: Ionisation de gaz.

la La loi de Paschen Elle établit le lien entre la tension de "panne« Pour lequel le plasma est formé et le produit de la pression et de la distance des électrodes. La courbe a un minimum qui dépend du gaz présent. Par exemple, pour ioniser l'argon gazeux dans un tube le long d'un mètre et demi à une pression de 10-2 mbar, Il faut environ 800 V.

La formation de plasma (parfois appelé électrique « de ventilation ») est accompagnée par la formation de la lumière, car cela est dit que la décharge passe par le régime de télécharger dark à celle de la décharge luminescente (luminescente). Ce passage est également marquée par une forte diminution de la tension appliquée à la tête de tube, étant donné que la formation de charges libres (électrons et d'ions) réduit considérablement le résistance électrique gaz. Si, à ce stade, la tension aux bornes de la tête de tube est encore augmentée, la décharge passe du régime de "lueur« Pour que des arcLa luminosité de la décharge augmente encore et que la tension subit une diminution brusque (comme dans le passage du système de télécharger dark à celle de la décharge luminescente). Le courant d'arc est encore plus élevée que celle d'une décharge luminescente.

Pour résumer, un gaz ionisé dans un tube droit en fonction de la tension appliquée et la présente dans le courant de gaz passe à travers les schémas suivants:

  • télécharger dark
  • décharge luminescente (luminescente)
  • arc

Dans le passage de la vitesse de téléchargement sombre à celle de lueur, comme prévu ci-dessus, le plasma commence à émettre de la lumière. L'émission de lumière se produit à des fréquences caractéristiques pour chaque élément et est due à des phénomènes suivants:

  • rayonnement de freinage (Bremsstrahlung) Des électrons émis ou repris par un noyau;
  • radiation rangée par des atomes neutres ou partiellement ionisé

traits

Presque la neutralité et le dépistage Debye

le terme plasma Il est utilisé pour un ensemble de particules chargées qui reste globalement neutre. Telle est la définition communément admise, bien qu'il y ait des systèmes particuliers sont appelés plasmas, constitué d'une seule espèce (par ex., des électrons, d'où le nom de plasmas électronique).

La comparaison qui est souvent utilisé est celui de la gelée rose, qui, à son intérieur contient des particules qui, individuellement, sont rouge et blanc, mais que l'œil perçoit dans son ensemble rose. Comme dans la gélatine existe une distance spatiale minimale pour laquelle il est possible de voir les particules blanches et rouges comme séparé, de sorte que dans le plasma existe une échelle spatiale à laquelle les électrons et les ions se déplacent de manière indépendante: cette distance minimale est appelée longueur de Debye.

En substance, dans le plasma doit toujours être vérifié que net · N = ΣZla, dire qu'il faut respecter la condition de neutralité charge net n =la, net Il est la densité d'électrons, et nla est la densité d'ions, le Z numéro atomique ion. Afin de maintenir cette condition, à l'intérieur du plasma est formé un champ électrique, ladite ambipolaire, qui tend à bloquer les électrons, et d'accélérer les ions[11] (En fait, les électrons sont plus rapides à se propager). A l'intérieur du plasma formera une champ électrique correspondant à 'énergie potentielle:

.

Comme on le voit, le potentiel est d'autant plus grande, plus la densité de charge au centre du plasma, n (0). Si l'énergie potentielle supérieure à l'énergie d'agitation thermique, il a la diffusion ambipolaire; Si l'énergie potentielle est inférieure à la 'énergie cinétique des particules, il y a diffusion libre. La relation d'égalité définit l'énergie minimale que les particules doivent avoir pour être en mesure de se déplacer librement: cette énergie minimale définit également la longueur minimale dans laquelle les particules peuvent se propager, à savoir la longueur de Debye:

.

où kB est le constante de Boltzmann et T est la température. On peut alors définir plus précisément comme un plasma un système dont les dimensions sont beaucoup plus grandes que la longueur de Debye, à savoir , où L est la taille typique du système. Pour un gaz ionisé est encore très rare que les deux , aussi parce que cela conduirait à une très faible densité (notez que la densité de charge apparaît dans le dénominateur).

Si la température est exprimée en électrons-volts, et la densité en particules par mètre cube, la longueur de Debye est exprimée en tant que:

.

Dans plasmas de laboratoire cette longueur est donc de l'ordre de dizaines de micron.

phénomènes collectifs

La longueur de Debye définit ainsi une longueur minimale pour un mouvement indépendant des électrons et des ions à l'intérieur d'une sphère de rayon (appelé sphère Debye) Peut-être les processus de particules simples. En dehors de la sphère de Debye du comportement des électrons et des ions est déterminée par le champ électrique ambipolaire, qui est, à partir de la partie à long terme de la potentiel électrostatique. En substance, les électrons et les ions se déplacent par rapport à l'autre comme si elles étaient une seule entité.

Ce phénomène donne lieu à des soi-disant mouvements collectifs. Les collisions entre les électrons et les ions à travers le force de Coulomb dans des plasmas est un phénomène collectif, dans lequel les interactions dominent dans plusieurs sections par rapport aux collisions binaires (contrairement au gaz neutre, où les collisions sont essentiellement un phénomène binaire). En règle générale, libre parcours moyen collisions de Coulomb est supérieure à la longueur de Debye.

Un autre phénomène collectif importante est constituée par les oscillations du plasma. Supposons qu'une « tranche » de la section des électrons se déplace d'une quantité dans la direction orthogonale à . Il formera une champ électrique perpendiculaire à la surface :

.

Elle est déterminée par la charge électronique densité de surface:

.

En combinant les deux expressions, on obtient que la force nette agissant sur les électrons est:

.

La loi dynamique des électrons devient:

.

qui est un mouvement de pulsation harmonique

.

que la fréquence de plasma. En insérant les constantes physiques, vous obtenez la valeur numérique[12]:

.

Saisie d'une valeur de densité d'un plasma de fusion typique[13] (Par exemple, un tokamak), On obtient que la fréquence de plasma est de l'ordre de 1011 Hz, ce qui est une fréquence très élevée.

Il est donc déduit que le champ électrique dû à l'inhomogénéité potentiel de charge dans un plasma est divisé en un court rayon partiel (la libre circulation dans la sphère de Debye), et une partie à longue portée (phénomènes collectifs tels que la fréquence de plasma) . Toutefois, si nous sommes intéressés par des phénomènes se produisent à des échelles spatiales plus importantes de la sphère de Debye et sur des échelles de temps plus lente de la fréquence de plasma, le plasma peut être considérée comme un fluide neutre dans lequel les champs électriques (spontané) sont nulles.

Telle est l'approche suivie par exemple par magnétohydrodynamique. Dans la plupart des plasmas, la longueur de Debye est assez faible et la fréquence de plasma suffisamment grand pour répondre facilement à cette condition.

Ordres de grandeur pour les plasmas

Plasma (physique)
la foudre Il est un exemple de ce plasma sur la Terre. Les valeurs typiques d'une décharge de foudre est un courant de 30 000 ampère, une tension de 100 millions volt, et l'émission de lumière et les rayons X[14]. Les températures du plasma dans un foudre arrivent à 28 000 kelvin, et la densité d'électrons peut atteindre 1024/ M³.

Un plasma est alors caractérisée par certaines tailles, y compris certains (température et densité des particules chargées) sont typiques d'un fluide; d'autres, comme la longueur de Debye et la fréquence de plasma, sont caractéristiques du plasma comme un ensemble de charges en mouvement.

Plasmas dans la nature et en laboratoire sont caractérisés par une grande variété dans la taille de ces paramètres. Dans le tableau qui suit[15] sont donnés les ordres de grandeur pour une série de plasmas: Rappelez-vous que la température de 1 eV Elle correspond à environ 11 600 kelvin, et que la densité de 'air est d'environ 1025 particules par mètre cube. Il reconnaît maintenant que la plupart des plasmas sont caractérisés par la température électronique élevée, allant de près de 30 000 degrés de la foudre, jusqu'à des millions de degrés de la couronne solaire et des expériences de fusion thermonucléaire. Les plasmas interstellaires sont plutôt caractérisées par une densité très faible (et, par conséquent, relativement importante des longueurs de Debye).

Étant donné que dans l'expression de la longueur Debye semble un rapport de la température et de la densité, cela ne l'empêche pas qu'ils peuvent produire des plasmas à température ambiante: ce sont les soi-disant Les plasmas froids, pour lesquels les ions sont en fait à la température ambiante, mais les électrons ont une température de quelques électronvolts.

plasma densité
(m-3)
température
(EV)
taille
(M)
longueur
Debye
(M)
fréquence
plasma
(Hz)
gaz
interstellaire
106 0,01 1019 0,7 104
vent
solaire
107 10 1011 7 3 × 104 
couronne
solaire
1012 102 107 0,07 107
interne
le Soleil
1032 103 7 × 108  2 × 10-11  1017
plasma
thermonucléaire
1020 104 10 7 × 10-5  1011
décharge
arqué
1020 1 0,1 7 × 10-7  1011
foudre 1024 2 103 10-8 1012
ionosphère 1012 0,1 104 2 × 10-3  107

phénomènes dissipatives

Le plasma est composé d'ions et d'électrons. L'interaction par force de Coulomb entre ces espèces conduit à bosses (généralement élastique), Qui sont à l'origine des effets dissipatives. L'effet premier et le plus important est l'apparition de résistivité. La présence du choc de type Coulomb présente une résistivité qui, conformément à la prédiction théorique de Spitzer Elle est donnée par[16]:

.

où logΛ est une quantité connue sous le nom logarithme Coulomb, et il est pratiquement constant pour la plupart des plasmas de laboratoire, où il varie entre 10 et 20 sur une large plage de paramètres. Z est le numéro atomique Moyen d'espèces ioniques présentes dans le plasma (pour un plasma hydrogène, Z = 1).

Branchent les valeurs d'un plasma hydrogène d'intérêt fusionistico (Tet = 1000 eV), on obtient une valeur de résistivité 2 × 10-8 Ω · m, qui est une valeur typique de cuivre à la température ambiante. Plasmas sont donc d'excellents conducteurs porteurs de courant, et cette propriété est plus la plus élevée est la température (la température au dénominateur apparaît dans le rapport de Spitzer).

Plasmas dans des champs magnétiques

icône Loupe mgx2.svg Le même sujet en détail: magnétohydrodynamique.

Un plasma, qui est un bon conducteur de courant, est également très sensible à l'application de champs magnétiques. En fait, étant donné qu'un plasma est souvent formé par une décharge électrique dans un gaz, le plasma est affectée par le champ magnétique formé par le courant qui la traverse. Voilà pourquoi nous parlons du champ magnétique auto-généré.

Les particules chargées dans un champ magnétique de suivre un trajet hélicoïdal (aussi appelé mouvement de cyclotron) Selon le 'équation de Larmor, qui définit le rayon de Larmor

.

est la vitesse de la particule perpendiculairement au champ magnétique, m est sa masse, B est l'intensité du champ magnétique et Ze est la charge ionique (à l'électron, Z = 1).

De l'expression du rayon de Larmor on en déduit que une particule chargée dans un champ magnétique est contraint de se déplacer le long d'une trajectoire que vous pouvez retirer le plus d'une quantité la ligne de champ magnétique. Le mouvement du centre de l'hélice est dit mouvement du centre de guidage: le modèles mathématiques qui décrivent le mouvement du plasma en termes de mouvement du centre de guidage sont dits codes de guidage centraux[17].

Également sur cette propriété, il est basé dispositifs confinement magnétique dans le domaine de la recherche la fusion nucléaire.

La présence d'un champ magnétique, cependant, introduit une complication, en ce qu 'elle sépare la direction parallèle au champ (dans lequel il y a une rapide thermalisation des particules) à partir de la direction perpendiculaire. Un plasma dans un champ magnétique est donc un moyen de très anisotrope.

La présence du champ magnétique divise aussi les plasmas en fonction de leur comportement magnétique, à savoir dans les plasmas diamagnétique et paramagnétique. Bien que le comportement le plus commun pour un bon conducteur est d'être diamagnétique, il existe de nombreux exemples de plasmas paramagnétique, par exemple dans lequel le champ magnétique externe augmente et persiste pendant très longtemps. Ces phénomènes sont appelés phénomènes de dynamo, par analogie avec dynamo en génie électrique.

Une approche totalement différente du problème des mouvements d'un plasma dans un champ magnétique est fourni par le magnétohydrodynamique ou MHD[18], où le mouvement des particules dans un champ électromagnétique est résolu départ de l'intégration de Navier-Stokes avec Les équations de Maxwell. Malgré la simplification apparente (au lieu de suivre le mouvement d'un grand nombre de particules, il suit l'évolution de la vitesse du fluide du plasma, qui est terrain en trois dimensions), le MHD se prête à décrire un très grand nombre de phénomènes de plasma, tels que l'apparition de l'instabilité, des filaments et des jets[19].

Résumé: gaz neutre contre le plasma

Comme indiqué ci-dessus, un plasma est le quatrième état de la matière. Ce qui le distingue, par exemple, par un gaz, qui devrait s'occuper tout comme beaucoup? Les différences sont énumérées dans le tableau suivant:

propriété gaz plasma
conductivité électrique très faible
très haute
  • Pour de nombreuses raisons, le champ électrique dans un plasma peut être considéré comme nul (en dehors du champ électrique ambipolaire). Lorsqu'un courant circule dans le plasma, il y a une chute de potentiel (bien que faible); des gradients de densité sont associés à un champ électrique.
  • La capacité à conduire le courant électrique provoque le plasma réagissent très bien aux champs magnétiques, formant une grande variété de phénomènes, tels que des filaments, des jets et des structures cohérentes.
  • phénomènes collectifs sont très fréquents, car l'interaction électromagnétique est longue portée.
espèces indépendantes un Deux ou plus
Les électrons, des ions, des atomes neutres et peuvent être distingués en fonction de leur vitesse et de température. L'interaction entre ces espèces conduit à des phénomènes dissipant (viscosité, résistivité) Et le début de flots et l'instabilité.
Répartition de la vitesse Maxwell Il peut être nonmaxwelliennes
Alors que les collisions ont tendance à conduire à une distribution maxwellienne d'équilibre, les champs électriques peuvent affecter différemment la vitesse des particules, ce qui donne lieu à des phénomènes tels que les électrons fugueur.
interactions binaire
Collisions deux corps sont la norme.
collectif
Chaque particule interagit simultanément avec de nombreuses particules. interactions collectives sont plus importantes que binaire.

notes

  1. ^ (FR) G. L. Rogoff, Ed., IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 19, Décembre 1991, p. 989.
  2. ^ (FR) R. Goldston et P. H. Rutherford, Introduction à la physique des plasmas, Philadelphie, Institute of Physics Publishing, 1995, p. 2 ISBN 0-7503-0183-X.
  3. ^ (FR) Site du Franklin Institute Science Museum, fi.edu.
  4. ^ Zoran Lj. Petrovic, La contribution de Nikola Tesla à la physique du plasma et l'état actuel des Plasmas Qu'Il Étudié (PDF) journal.ftn.kg.ac.rs.
  5. ^ Quels sont les matériaux résistants O3 quel type de générateurs O3 sont là?, o3center.org.
  6. ^ O3Elite Générateur d'ozone - Le leader en thérapie d'ozone, sur www.o3elite.com. Récupéré le 14 mai 2015.
  7. ^ Plasmafire Intl - bain de vapeur et des générateurs d'ozone plasma froid, sur www.plasmafire.com. Récupéré le 14 mai 2015.
  8. ^ Générateur d'ozone, sur www.oawhealth.com. Récupéré le 14 mai 2015.
  9. ^ Gary Peterson, La poursuite de la vision de Tesla (PDF) teslaradio.com.
  10. ^ (FR) Nations unies, Utilisations pacifiques de l'énergie atomique (Proc. Int. Conf. Genève, 1955), vol. 16, New York, ONU, 1956, p. 35.
  11. ^ R. Goldston et P. H. Rutherford, p.15
  12. ^ (FR) T.J.M. Boyd et J.J. Sanderson, La Physique des Plasmas, 1 re éd., Cambridge University Press, 2003, p. 11 ISBN 0-521-45912-5.
  13. ^ (FR) Weston Stacey, Fusion physique des plasmas, Wiley VCH Verlag, 2005 ISBN 978-3-527-40586-2.
  14. ^ (FR) Clignote dans le ciel: Gamma-Ray Burst de la Terre par la foudre Déclenchée, nasa.gov.
  15. ^ T.J.M. Boyd et J.J. Sanderson, p.12
  16. ^ R. Goldston et P. H. Rutherford, p.177
  17. ^ (FR) R. B. blanc, La théorie des plasmas confinés toroïdale, 2e éd., Imperial College Press, le 30 Avril 2006, ISBN 1-86094-639-9.
  18. ^ (FR) J.P. Freidberg, Idéal magnétohydrodynamique, New York, Plenum Press, 1987.
  19. ^ Dieter Biskamp, magnétohydrodynamique Nonlinear, Cambridge, Cambridge University Press, 1997 ISBN 0-521-59918-0.

Articles connexes

  • la physique des plasmas et ses applications
    • Fusion nucléaire
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    • ITER
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