Plasma — types, propriétés et paramètres

Le plasma est le quatrième état d'agrégation de la matière - un gaz hautement ionisé dans lequel les électrons, ainsi que les ions chargés positivement et négativement, équilibrent presque complètement les charges électriques les uns des autres. Par conséquent, si nous essayons de calculer la charge totale dans un petit volume de plasma, elle sera nulle. Cette caractéristique distingue le plasma des faisceaux d'électrons et d'ions. Cette propriété du plasma est appelée quasi-neutralité.

Ainsi (selon la définition), le plasma est caractérisé, selon le rapport du nombre de particules chargées dans son volume au nombre total de ses particules constitutives, par le degré d'ionisation :

• plasma faiblement ionisé (partie d'un pourcentage du volume de particules ionisées);

• plasma moyennement ionisé (quelques pour cent du volume des particules sont ionisés) ;

• fortement ionisé (presque 100% des particules dans le volume de gaz sont ionisées).

Types de plasmas — haute température et décharge gazeuse

Le plasma peut être à haute température et à décharge gazeuse. Le premier se produit uniquement dans des conditions de haute température, le second - lors de la dilution dans un gaz.Comme vous le savez, une substance peut être dans l'un des quatre états de la matière : le premier est solide, le second est liquide et le troisième est gazeux. Et puisqu'un gaz hautement chauffé passe à l'état suivant - un état de plasma, c'est donc le plasma qui est considéré comme le quatrième état d'agrégation de la matière.

Les particules de gaz en mouvement dans le volume de plasma ont charge électriquetoutes les conditions sont donc réunies pour que le plasma conduise un courant électrique. Dans des conditions normales, le plasma stationnaire protège d'un champ électrique externe constant, puisque dans ce cas une séparation spatiale des charges électriques se produit à l'intérieur de son volume. Mais puisque les particules chargées du plasma sont dans des conditions d'une certaine température, différente du zéro absolu, il existe une distance minimale lorsque la quasi-neutralité est violée à une échelle inférieure à celle-ci.

Dans un champ électrique en accélération, les particules chargées du plasma à décharge gazeuse ont des énergies cinétiques moyennes différentes. Il s'avère que la température du gaz d'électrons diffère de la température du gaz d'ions à l'intérieur du plasma ; par conséquent, le plasma à décharge gazeuse n'est pas en équilibre et est appelé plasma hors équilibre ou non isotherme.

Lorsque le nombre de particules chargées d'un plasma à décharge gazeuse diminue au cours de leur recombinaison, de nouvelles particules chargées sont immédiatement formées lors du processus d'ionisation par impact par des électrons accélérés par un champ électrique. Mais dès que le champ électrique appliqué est éteint, le plasma à décharge gazeuse disparaît immédiatement.

Un plasma à haute température est un plasma isotherme ou à l'équilibre. Dans un tel plasma, la réduction du nombre de particules chargées due à leur recombinaison est complétée par l'ionisation thermique.Cela se produit à une certaine température. Les énergies cinétiques moyennes des particules qui composent le plasma sont ici égales. Les étoiles et le Soleil sont constitués de plasma à haute température (à des températures de plusieurs dizaines de millions de degrés).

Pour qu'un plasma commence à exister, il faut une certaine densité minimale de particules chargées dans son volume. La physique des plasmas détermine ce nombre à partir de l'inégalité L >> D. La taille linéaire L des particules chargées est beaucoup plus grande que le rayon d'écran de Debye D, qui est la distance à laquelle l'écran de champ de Coulomb de chaque charge de plasma a lieu.

Propriétés du plasma

Parlant des propriétés déterminantes du plasma, il convient de mentionner :

• degré élevé d'ionisation des gaz (maximum - ionisation complète);

• charge plasmatique totale nulle ;

• conductivité électrique élevée;

• briller;

• forte interaction avec les champs électriques et magnétiques ;

• des oscillations à haute fréquence (environ 100 MHz) d'électrons à l'intérieur du plasma, entraînant des vibrations de tout le volume du plasma ;

• interaction collective d'un grand nombre de particules chargées (et non par paires, comme dans un gaz ordinaire).

La connaissance des caractéristiques des propriétés physiques du plasma permet aux scientifiques non seulement d'obtenir des informations sur l'espace interstellaire (juste rempli principalement de plasma), mais donne également des raisons de s'appuyer sur les perspectives d'installations de fusion thermonucléaire contrôlée (basées sur le plasma à haute température de deutérium et tritium).

Le plasma à basse température (inférieure à 100 000 K) est déjà utilisé aujourd'hui dans les moteurs de fusée, les lasers à gaz, les convertisseurs thermioniques et les générateurs MHD qui convertissent l'énergie thermique en énergie électrique.Dans les plasmatrons, le plasma à basse température est obtenu pour le soudage des métaux et pour l'industrie chimique, où les halogénures de gaz inerte ne peuvent pas être obtenus par d'autres méthodes.