Le plasma est un état de la matière distinct des états solide, liquide et gazeux.
Il se caractérise par le fait qu'il s'agit d'un gaz ionisé dans lequel les atomes ont perdu ou gagné des électrons, créant ainsi un mélange d'ions positifs et d'électrons libres. Dans un sens plus large, le plasma peut être composé de particules chargées, telles que des ions négatifs, des électrons et des atomes ou molécules ionisés.
Transition vers le plasma
Le plasma se forme lorsqu'un gaz est chauffé à des températures extrêmement élevées, suffisantes pour ioniser les atomes et les molécules. Cet état est connu comme le quatrième état d'agrégation de la matière .
Contrairement aux solides, aux liquides et aux gaz, le plasma n’a pas de forme ni de volume défini. Ses particules chargées se déplacent librement, permettant au plasma de réagir aux champs électriques et magnétiques.
Relation avec l'électricité
L’une des propriétés distinctives du plasma est sa capacité à conduire le courant électrique.
Cela est dû à la présence d’électrons et d’ions libres dans le plasma, qui permettent au plasma d’agir comme conducteur. De plus, les plasmas peuvent générer leurs propres champs électriques et sont fortement influencés par les champs magnétiques.
Cette propriété rend le plasma essentiel dans diverses applications technologiques, comme dans les tubes fluorescents et les néons , où l'électricité excite le gaz à l'intérieur du tube, produisant de la lumière visible.
Relation avec l'énergie de fusion nucléaire
La fusion nucléaire est le processus dans lequel deux noyaux atomiques légers se combinent pour former un noyau plus lourd, libérant ainsi une grande quantité d’énergie.
Pour que la fusion nucléaire se produise, les noyaux atomiques doivent surmonter une barrière de répulsion électrostatique en raison de leurs charges positives. Cela nécessite que les atomes soient maintenus à des températures extrêmement élevées, de l’ordre de plusieurs millions de degrés Celsius, afin qu’ils puissent acquérir suffisamment d’énergie cinétique pour surmonter cette répulsion et permettre la fusion.
A ces températures extrêmement élevées, le matériau est à l’état plasma. Dans le plasma, les atomes sont complètement ionisés et les particules chargées (ions et électrons) se déplacent librement. Ceci est crucial car les réactions de fusion nécessitent des températures et des pressions si élevées que les atomes se transforment en plasma, permettant ainsi aux noyaux atomiques de se rencontrer et de fusionner.
Pour que la fusion nucléaire soit viable, le plasma doit être confiné et maintenu dans les conditions nécessaires. Il existe deux méthodes principales pour confiner le plasma :
- Confinement magnétique : Utilise des champs magnétiques pour maintenir le plasma à haute température et l'empêcher de toucher les parois du conteneur. Les exemples incluent le tokamak et le stellarator , qui sont des dispositifs expérimentaux dans lesquels la fusion est étudiée.
- Confinement inertiel : utilise des lasers ou d'autres méthodes pour chauffer et comprimer de petits échantillons de combustible de fusion, créant ainsi les conditions nécessaires à la fusion.
Maintenir un plasma dans de bonnes conditions pour la fusion constitue un défi technique de taille. Les ingénieurs nucléaires doivent contrôler la température, la densité et le confinement du plasma suffisamment longtemps pour que les réactions de fusion se produisent efficacement.
Différences avec les états gazeux
Bien que le plasma partage certaines caractéristiques avec l’état gazeux, comme l’absence de forme et de volume définis, il existe des différences clés :
- Ionisation : Contrairement aux gaz ordinaires, dans le plasma les atomes sont ionisés, créant un mélange d'ions et d'électrons libres.
- Conduction électrique : Le plasma peut conduire l'électricité et est sensible aux champs électriques et magnétiques, alors que les gaz neutres n'ont pas cette capacité.
- Interactions électromagnétiques : Le plasma interagit intensément avec les champs magnétiques et électriques, contrairement aux gaz qui sont moins affectés par ces champs.
Le plasma dans l'univers
Le plasma est l'état de matière le plus abondant dans l'univers. La majeure partie de la matière baryonique (composée de protons et de neutrons) du cosmos existe sous forme de plasma. Toutes les étoiles , y compris notre Soleil, sont composées de plasma. Même l’espace interstellaire, bien que très raréfié, contient du plasma.
Par exemple, Jupiter , la plus grande planète du système solaire, contient une quantité importante de matière sous des formes non plasmatiques (liquides, solides et gaz), mais le plasma joue un rôle crucial dans sa composition et sa dynamique.
Même les particules de poussière dans l’espace, qui peuvent transporter une charge électrique, sont considérées comme faisant partie du plasma universel. Ces particules peuvent former des plasmas complexes composés d’ions chargés, contribuant ainsi à la diversité et à l’étendue du plasma dans le cosmos.
Exemples de plasma
Ci-dessous nous montrons quelques exemples de plasma qui peuvent être d’origine naturelle ou artificielle :
- Étoiles et soleil : Les étoiles, dont le Soleil, sont composées principalement de plasma. À l’intérieur des étoiles, des températures extrêmement élevées provoquent l’ionisation des atomes, créant ainsi un plasma permettant des réactions de fusion nucléaire.
- Aurores boréales et australes : Ces superbes jeux de lumière dans le ciel polaire sont provoqués par le plasma. Le vent solaire, un plasma de particules chargées, interagit avec l'atmosphère terrestre, ionisant les gaz et créant des aurores.
- Foudre : Lors d'un orage, la foudre crée un plasma dans l'atmosphère. La décharge électrique ionise les gaz présents dans l’air, générant un canal de plasma brillant et chaud.
- Vent solaire : Le vent solaire est un flux de particules chargées (plasma) émises par le Soleil. Ces particules peuvent interagir avec le champ magnétique de la Terre et d'autres planètes, créant des phénomènes tels que les aurores.
- Lampes néon et tubes fluorescents : Ces lampes contiennent des gaz à l'état plasma. Lorsqu’une tension électrique est appliquée, le gaz s’ionise, produisant de la lumière. Les lampes au néon émettent une lumière rouge caractéristique, tandis que les tubes fluorescents peuvent émettre une gamme de couleurs en fonction des revêtements internes.
- Écrans plasma : Les écrans plasma, utilisés dans les téléviseurs et les moniteurs, fonctionnent en excitant les gaz ionisés dans les cellules de l'écran, produisant de la lumière pour créer des images.
- Fusion nucléaire en laboratoire : Les expériences de fusion nucléaire, telles que celles réalisées dans les tokamaks et les stellarateurs , confinent un plasma à haute température pour induire des réactions de fusion. Ces appareils tentent de recréer les conditions extrêmes des étoiles dans un environnement contrôlé.
- Découpage plasma : Dans l'industrie, le découpage plasma utilise un jet de plasma à haute température pour découper des matériaux conducteurs, comme les métaux. Le plasma est généré par l’ionisation d’un gaz forcé à travers un petit trou.
- Lampes boule à plasma : Ces lampes décoratives contiennent un gaz plasma dans une sphère de verre. Lorsqu'une tension est appliquée aux électrodes à l'intérieur de la sphère, le gaz est ionisé et produit un spectacle visuel de décharges lumineuses.
Aurores boréales
Les aurores boréales (et australes) sont des exemples naturels de plasma.
Ces lumières spectaculaires sont générées lorsque des particules chargées du vent solaire entrent en collision avec des atomes de l'atmosphère terrestre. Le vent solaire, composé d'un plasma de haute énergie, interagit avec le champ magnétique terrestre, dirigeant les particules vers les pôles.
Lorsqu’elles entrent en collision avec des molécules dans l’atmosphère, ces particules ionisent les gaz, créant ainsi des spectacles de lumière impressionnants appelés aurores.