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1 • Électrons, ions et plasmas
On appelle plasma ou gaz ionisé cet état exotique de la matière contenant une
fraction significative de charges libres ; l’ensemble des concepts, méthodes et résultats propres à l’étude de cet état de la matière constitue la physique des plasmas .
La physique des plasmas intègre les connaissances de nombreux autres domaines
de la physique, tels que la physique statistique, la dynamique hamiltonienne, l’électrodynamique relativiste, les physiques atomique, moléculaire et nucléaire ; réciproquement, de nombreux concepts et méthodes, issus de recherches fondamentales en
physique des plasmas, ont été intégrés par d’autres disciplines, plus particulièrement
en physique non-linéaire, chaos et turbulence, interaction champs-particules et théories des instabilités.
1.1.1 Environnement
Les océans, les continents et l’atmosphère, ne sont pas des plasmas ; ils se présentent sous formes fluides et solides neutres. La croûte, le manteau et le noyau
terrestre sont constitués principalement de fer, d’oxygène, de silicium et de magnésium sous forme solide et liquide. L’atmosphère terrestre est composée essentiellement d’azote et d’oxygène, sous forme gazeuse neutre et, en quantités minimes, de
gaz rares. Enfin, pour ce qui concerne les océans, ils sont formés d’eau, contenant,
en proportions minimes, des sels minéraux, principalement des halogénures alcalins
et alcalino-terreux. Le tableau (1.1) rappelle l’abondance des principaux éléments
présents dans notre environnement, les pourcentages se réfèrent à la masse total pour
la terre et au volume totale pour l’atmosphère.
Tableau 1.1
Éléments [%] de la masse
Fe
35 − 40
O
28 − 30
Si
15 − 17
Eléments
[%] du volume
N 2
78
O 2
21
Ar
0, 93
Cette analyse rapide de notre environnement proche pourrait laisser croire que la
phase plasma est totalement absente à l’état naturel ; au contraire, les plasmas constituent l’essentiel de notre environnement au delà de la haute atmosphère. En effet, à
l’échelle cosmique, plus de 99, 9% de la matière visible se présente sous forme ionisée, en phase plasma.
Une analyse plus fine de la constitution de l’atmosphère montre qu’une faible proportion d’ions libres est déjà présente au niveau des couches basses de l’atmosphère ; la
proportion de cette composante chargée est variable, l’ordre de grandeur du nombre
moyen d’ions par centimètre cube en fonction de l’altitude est donné dans le tableau
(1.2).
© Dunod – La photocopie non autorisée est un délit
1 • Électrons, ions et plasmas
On appelle plasma ou gaz ionisé cet état exotique de la matière contenant une
fraction significative de charges libres ; l’ensemble des concepts, méthodes et résultats propres à l’étude de cet état de la matière constitue la physique des plasmas .
La physique des plasmas intègre les connaissances de nombreux autres domaines
de la physique, tels que la physique statistique, la dynamique hamiltonienne, l’électrodynamique relativiste, les physiques atomique, moléculaire et nucléaire ; réciproquement, de nombreux concepts et méthodes, issus de recherches fondamentales en
physique des plasmas, ont été intégrés par d’autres disciplines, plus particulièrement
en physique non-linéaire, chaos et turbulence, interaction champs-particules et théories des instabilités.
1.1.1 Environnement
Les océans, les continents et l’atmosphère, ne sont pas des plasmas ; ils se présentent sous formes fluides et solides neutres. La croûte, le manteau et le noyau
terrestre sont constitués principalement de fer, d’oxygène, de silicium et de magnésium sous forme solide et liquide. L’atmosphère terrestre est composée essentiellement d’azote et d’oxygène, sous forme gazeuse neutre et, en quantités minimes, de
gaz rares. Enfin, pour ce qui concerne les océans, ils sont formés d’eau, contenant,
en proportions minimes, des sels minéraux, principalement des halogénures alcalins
et alcalino-terreux. Le tableau (1.1) rappelle l’abondance des principaux éléments
présents dans notre environnement, les pourcentages se réfèrent à la masse total pour
la terre et au volume totale pour l’atmosphère.
Tableau 1.1
Éléments [%] de la masse
Fe
35 − 40
O
28 − 30
Si
15 − 17
Eléments
[%] du volume
N 2
78
O 2
21
Ar
0, 93
Cette analyse rapide de notre environnement proche pourrait laisser croire que la
phase plasma est totalement absente à l’état naturel ; au contraire, les plasmas constituent l’essentiel de notre environnement au delà de la haute atmosphère. En effet, à
l’échelle cosmique, plus de 99, 9% de la matière visible se présente sous forme ionisée, en phase plasma.
Une analyse plus fine de la constitution de l’atmosphère montre qu’une faible proportion d’ions libres est déjà présente au niveau des couches basses de l’atmosphère ; la
proportion de cette composante chargée est variable, l’ordre de grandeur du nombre
moyen d’ions par centimètre cube en fonction de l’altitude est donné dans le tableau
(1.2).
© Dunod – La photocopie non autorisée est un délit