plasma (physique) - astronomie.

plasma (physique) - astronomie. 1 PRÉSENTATION plasma (physique), gaz partiellement ou totalement ionisé. Ce type de milieu constitue le quatrième état de la matière après l'état solide, l'état liquide et l'état gazeux. 2 COMPOSITION ET PROPRIÉTÉS Un plasma est constitué de particules neutres (atomes, molécules, radicaux libres), d'ions positifs ou négatifs (particules ayant respectivement perdu ou capté des électrons) et d'électrons. Il existe aussi dans un plasma des atomes ou molécules dits « excités « (les électrons ne sont pas arrachés, mais portés dans des états d'énergie potentielle élevée en restant liés au noyau) qui peuvent se désexciter en émettant de la lumière. Cela permet à ce gaz d'être émetteur de lumière visible ou invisible (rayons X, ultraviolet [UV], infrarouge [IR], etc.). Globalement, ce gaz est électriquement neutre. Du fait de leur long rayon d'interaction (force coulombienne), les ions et électrons interagissent fortement entre eux et avec les autres espèces du gaz ionisé. La présence de particules chargées dans le gaz confère à celui-ci des propriétés collectives. En particulier, lorsque le plasma présente un excès local de charges positives ou négatives, ces dernières engendrent un champ électrique local. Pour annuler ce déséquilibre de charge, le champ provoque un déplacement rapide des électrons, très mobiles par rapport aux ions, car ils sont plus légers. La réponse des particules chargées pour réduire le champ électrique local s'appelle l'écrantage de Debye et opère sur une distance appelée longueur de Debye. Elle dépend de l'énergie moyenne des électrons et de leur densité. Cette réponse à la perturbation électrique locale prend la forme d'une oscillation dont la fréquence est appelée fréquence plasma. Ainsi, les électrons se déplacent d'une longueur de Debye pendant une oscillation plasma. Ce phénomène peut être observé dans un métal, où les électrons quasi libres et les ions immobiles forment un plasma, l'oscillation collective des électrons portant le nom de plasmon. 3 PLASMAS NATURELS Les plasmas existent à l'état naturel et composent, selon les astrophysiciens, 99 p. 100 de l'Univers. Sur Terre, les éclairs et les aurores polaires en sont la manifestation la plus visible. Dans la haute atmosphère (ionosphère), le plasma ionosphérique est responsable de la réflexion des ondes radio (dont la fréquence est inférieure à la fréquence plasma de l'ionosphère). Ces plasmas naturels sont créés par les hautes températures du milieu (Soleil et étoiles), et par le rayonnement (matière interstellaire, enveloppes atmosphériques), constituant ainsi les sources d'énergie nécessaires à l'ionisation des particules. 4 PLASMAS ARTIFICIELS Les propriétés particulières de ces milieux (ions, électrons, espèces excitées, rayonnement) ont provoqué la curiosité des chercheurs qui en ont créé artificiellement, soit comme objets d'études, soit en vue d'une application. Les températures requises pour l'ionisation sont très élevées (supérieures à 104 °C), et divers moyens sont utilisés pour créer l'ionisation. Les décharges électriques dans les gaz ou les lasers en interaction avec la matière en sont des exemples courants. Dans le premier cas, les électrons libres du gaz sont accélérés et ionisent des atomes par collision, créant ainsi d'autres électrons capables à leur tour d'ioniser d'autres atomes et de créer d'autres électrons. Dans le deuxième cas, l'interaction du faisceau laser avec la matière (gaz ou solide) conduit à l'ionisation, donc à la création d'électrons, qui sont accélérés dans le champ électrique du laser et deviennent à leur tour ionisants. Dans les deux modes de production, il existe également des espèces excitées et des radicaux. Compte tenu de leur grande versatilité, les plasmas sont actuellement largement utilisés dans diverses applications industrielles. 5 APPLICATIONS Les plasmas produits par laser servent couramment en soudage ou en découpe des matériaux (métal, bois, plastique, etc.), et plus généralement par irradiation directe d'un matériau, le plasma formé à sa surface permet de modifier ses propriétés superficielles, telles que la dureté, la résistance à l'usure, etc. En pulvérisant une cible par irradiation laser, on peut également réaliser des dépôts de couches minces ayant des propriétés améliorées : couches supraconductrices, couches ultradures (nitrures, carbures, diamant, etc.). C'est également une des voies pour réaliser la fusion thermonucléaire contrôlée par confinement de la matière sous l'impact de lasers de haute puissance. Les décharges électriques présentent une grande diversité de conception, et les applications vont de l'éclairage (tubes fluorescents), sources de lumière (lampes à mercure, xénon, lasers à gaz, flash UV, etc.), jusqu'à la fusion thermonucléaire contrôlée où, cette fois, le plasma est confiné par des champs magnétiques (de type Tokamak). Les applications les plus marquantes concernent la microélectronique et l'élaboration de couches minces. Les progrès obtenus dans les performances des ordinateurs sont liés à la miniaturisation des circuits intégrés contenus dans les composants. Cette miniaturisation n'a été possible que par l'utilisation de traitements plasma (gravure, dépôt), où le rôle des ions est primordial. De même, des matériaux appelés métastables n'ont pu être obtenus que par l'utilisation de plasmas : il s'agit du silicium amorphe hydrogéné qui est utilisé, en particulier, dans la fabrication des cellules photovoltaïques, et du carbone amorphe hydrogéné, qui est un matériau possédant des propriétés mécaniques très intéressantes. Dans le domaine de la métallurgie, l'utilisation des plasmas concerne également les couches dures et l'élaboration d'alliages (four plasma). Enfin, les techniques plasma sont aussi employées dans le traitement des pollutions de type industriel (industries chimiques, etc.) ou domestique (automobiles, etc.), en permettant de dissocier des molécules indésirables. Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.