Plasmas thermiques : aspects fondamentaux

Les plasmas sont le quatrième état de la matière et représentent près de 99 % de l’Univers. Ils existent soit à l’état naturel (couronne solaire, soleil, intérieur des étoiles, ionosphère, intérieur des naines blanches...), soit en laboratoire où ils sont généralement produits par des décharges électriques. Ce sont des gaz contenant des atomes, des molécules et des ions dans l’état fondamental ou dans un état excité, des électrons et des photons qui proviennent de la désexcitation des états excités. Les électrons, particules très légères par rapport aux ions et aux neutres, sont fortement accélérés par les champs électriques et/ou magnétiques et jouent un rôle tout particulier. Il existe de très nombreuses variétés de plasmas qui dépendent de la densité des électrons et de la température (ou énergie) de ces derniers. Ils se distinguent en fait par différents critères :

• leur état d’ionisation, qui peut aller de très faible (quelques électrons dans un « océan » de neutres) à totalement ionisés (il n’y a plus que des électrons et des ions) ;

• les collisions entre les particules les composant, avec une séparation entre plasmas thermiques et plasmas de décharge ;

• les plasmas sans interactions (ou pratiquement sans collisions) où les pressions sont très faibles < 0,1 Pa ;

• les plasmas relativistes où les vitesses des particules se rapprochent de celle de la lumière ;

• les plasmas très denses et entièrement ionisés qui se comportent comme des solides ou des liquides (particules submicroniques chargées) ;

• les plasmas relevant des statistiques quantiques comme celle de Fermi-Dirac, par exemple un gaz d’électrons.

Parmi tous ces plasmas, nous limiterons notre propos aux plasmas thermiques c’est-à-dire principalement produits par des arcs électriques et des décharges Radio Fréquence. La principale caractéristique des plasmas thermiques est qu’ils sont générés à la pression atmosphérique ou à son voisinage, c’est-à-dire pour simplifier entre 10 ⁴ et 10⁶ Pa. Ils relèvent de la cinétique classique et de l’équation de Boltzmann. Du fait de la pression, les collisions entre particules sont très nombreuses et l’ionisation est essentiellement due à un effet thermique. Ils correspondent à des densités d’électrons comprises entre 10 ²⁰ et 10²⁴ m⁻³ et des températures entre 6 000 et 25 000 K. Dans ces plasmas, les champs électriques (sauf au voisinage des électrodes dans les arcs) et les libres parcours moyens sont trop faibles pour produire un état d’ionisation par collision inélastique directe. L’ionisation est alors essentiellement un phénomène thermique du aux collisions élastiques.