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RÉSUMÉ
Quatrième état de la matière, les plasmas existent en de très nombreuses variétés qui dépendent de la densité des électrons et de la température (ou énergie) de ces derniers. Cet article se limite aux plasmas thermiques, c’est-à-dire ceux produits par des arcs électriques et des décharges radio fréquence, et générés à la pression atmosphérique ou à son voisinage, et à leurs grandeurs fondamentales. Leurs applications industrielles sont très nombreuses dont découpage, soudage, purification des métaux, métallurgie extractive, synthèse des poudres ultrafines, destruction des déchets, fabrication de pièces de formes.
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Pierre FAUCHAIS : Professeur SPCTS (Science des procédés céramiques et des traitements de surface) CNRS UMR 6638 Université de Limoges-Faculté des sciences
INTRODUCTION
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 :
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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) ;
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les collisions entre les particules les composant, avec une séparation entre plasmas thermiques et plasmas de décharge ;
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les plasmas sans interactions (ou pratiquement sans collisions) où les pressions sont très faibles < 0,1 Pa ;
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les plasmas relativistes où les vitesses des particules se rapprochent de celle de la lumière ;
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les plasmas très denses et entièrement ionisés qui se comportent comme des solides ou des liquides (particules submicroniques chargées) ;
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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.
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2. Grandeurs caractéristiques
2.1 Collisions
Lorsque deux particules, initialement séparées par une distance d, s’approchent l’une de l’autre, elles commencent à interagir et si, après cette interaction, quelque changement mesurable s’est produit, on dit qu’une collision a eu lieu.
Compte tenu de leur nuage d’électrons, les particules neutres n’ont pas vraiment de collision type « boules de billards » mais elles se « sentent » avant d’être en contact physique. Cette interaction est due à la déformation de leur nuage électronique, ce qui entraîne d’abord une force attractive (dans le cas d’un potentiel de Lennard-Jones, cette force est proportionnelle à d −7), puis fortement répulsive du fait des noyaux positifs (pour un potentiel de Lennard-Jones, cette force est proportionnelle à d −13). Du fait de cette interaction, les particules sont déviées de leur trajectoire initiale.
Pour les particules neutres, avec des forces d’interaction en d −n avec
, la déviation se produit pendant un temps τ col très court par rapport à celui τ ij entre deux collisions successives entre les particules i et j et cette collision est pratiquement celle de deux boules de billard.
Par contre, pour les particules chargées, la force d’interaction étant en d −2, les particules se « voient » de très loin et la déviation de trajectoire dure un temps non négligeable, c’est-à-dire τ col » τ ij .
Lors de la collision, les particules échangent de l’énergie cinétique et/ou de l’énergie potentielle. Cela permet donc de classer les collisions importantes dans les plasmas thermiques en collisions élastiques ou inélastiques.
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Collisions élastiques
Lors de ces collisions, l’énergie cinétique et la quantité de mouvement sont conservées.
ExempleExemple
Toutes les collisions dans un gaz neutre à la température ambiante sont élastiques.
Un...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BOULOS (M.), FAUCHAIS (P.), PFENDER (E.) - Thermal plasmas, fundamentals and applications - . Vol. 1 Plenum Press New York (1994).
-
(2) - DELCROIX (J.-L.), BERS (A.) - Physique des plasmas - . Interéditions/CNRS Éditions Paris (1994).
-
(3) - Von ENGEL (A.) - Electric plasmas their nature and uses - . Taylor and Francis Ltd Londres et New York (1983).
-
(4) - HIRSCHFELDER (J.-D.) - Molecular theory of gases and liquids - . Wiley New York (1964).
-
(5) - BOULOS (M.) - Inductively coupled plasmas - . Pure and Applied Chemistry 57, p. 1321-1352 (1985).
-
(6) - FAUCHAIS (P.), VARDELLE (A.) - Thermal plasmas - . IEEE Transactions on Plasma Science 25 (6), p. 1258 et p. 1280 (1997).
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