1.1 Physique des plasmas
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La dynamique des plasmas ne se réduit pas à celle des champs électrique et magnétique, elle incorpore aussi l’étude du comportement des particules : électrons, ions,
atomes et molécules. La construction du modèle atomique de la structure de la
matière, permettant de comprendre les mécanismes de production des espèces chargées, est postérieure de plus d’un quart de siècle au développement de la théorie de
l’électromagnétisme ; rappelons-en ici les principales étapes.
Bien que l’intuition atomiste ait été privilégiée de façon récurrente depuis l’Antiquité, il faut attendre 1785 pour que cette intuition soit formalisée dans le cadre
de la construction d’une théorie opérationnelle du comportement de la matière ; en
effet, a cette époque, Bernoulli construit une théorie cinétique des gaz où la notion
de pression, clairement identifiée et formulée depuis Pascal et Torricelli, est interprétée dans un cadre mécaniste microscopique. Durant le XIX
e siècle la physique
des milieux dilués progresse rapidement ; l’équation des gaz parfaits issue des travaux de Boyle, Mariotte et Gay Lussac trouve son interprétation mécanique dans le
cadre d’une vision atomiste et constitue, durant la deuxième moitié du XIX
e siècle,
le modèle de référence des développements de la thermodynamique.
Les progrès constants des techniques du vide et des technologies de soudure métal
sur verre permettent alors l’étude des décharges électriques dans les gaz raréfiés
emplissant des ampoules et tubes en verre et mènent naturellement vers l’étude de
leur propriétés électriques et optiques. Le milieu du XIX
e siècle voit alors le développement de la physique des décharges électriques dans les gaz. Certes, les phénomènes d’étincelle et d’éclair, à pression atmosphérique, avaient été décrit depuis
l’Antiquité, l’arc électrique inventé par Davy en 1813 et les décharges luminescentes
décrites par Faraday en 1839 ; mais, les décharges électriques dans les gaz basse
pression allait révéler, tout au long de la deuxième moitié du XIX
e siècle, l’essentiel
des lois microscopiques régissant la structure de la matière, tout en permettant l’accumulation d’une phénoménologie extrêmement riche décrite par Hittorf, Geissler,
Plûcker, Crookes, Goldstein et bien d’autres. En effet, que ce soit la découverte de
l’électron par J.J. Thomson en 1890, des rayons X par Röntgen en 1895, du rayonnement ultraviolet par Wiedemann la même année ou des séries spectrales de l’hydrogène à l’origine du modèle de Bohr, la physique, dite moderne, est principalement
issue de l’effort d’interprétation du comportement et du rayonnement des décharges
électriques dans les gaz basse pression.
En 1858, Plücker démontre expérimentalement la déflexion des rayons cathodiques
par un champ magnétique ; ces études sont poursuivies en 1869 par Hittorf qui établit une classification systématique des décharges luminescentes. Dès 1871, Varley
postule la nature particulaire de ces rayons cathodiques. L’émission thermoïonique
est découverte par Edison en 1883 et, en 1886, Goldstein identifie la composante
ionique des décharges ; enfin, en 1887, Hertz découvre l’effet photoélectrique. L’accumulation de données expérimentales sur les mécanismes d’émission électronique
des surfaces métalliques et de production ionique dans les gaz basse pression génère
© Dunod – La photocopie non autorisée est un délit
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La dynamique des plasmas ne se réduit pas à celle des champs électrique et magnétique, elle incorpore aussi l’étude du comportement des particules : électrons, ions,
atomes et molécules. La construction du modèle atomique de la structure de la
matière, permettant de comprendre les mécanismes de production des espèces chargées, est postérieure de plus d’un quart de siècle au développement de la théorie de
l’électromagnétisme ; rappelons-en ici les principales étapes.
Bien que l’intuition atomiste ait été privilégiée de façon récurrente depuis l’Antiquité, il faut attendre 1785 pour que cette intuition soit formalisée dans le cadre
de la construction d’une théorie opérationnelle du comportement de la matière ; en
effet, a cette époque, Bernoulli construit une théorie cinétique des gaz où la notion
de pression, clairement identifiée et formulée depuis Pascal et Torricelli, est interprétée dans un cadre mécaniste microscopique. Durant le XIX
e siècle la physique
des milieux dilués progresse rapidement ; l’équation des gaz parfaits issue des travaux de Boyle, Mariotte et Gay Lussac trouve son interprétation mécanique dans le
cadre d’une vision atomiste et constitue, durant la deuxième moitié du XIX
e siècle,
le modèle de référence des développements de la thermodynamique.
Les progrès constants des techniques du vide et des technologies de soudure métal
sur verre permettent alors l’étude des décharges électriques dans les gaz raréfiés
emplissant des ampoules et tubes en verre et mènent naturellement vers l’étude de
leur propriétés électriques et optiques. Le milieu du XIX
e siècle voit alors le développement de la physique des décharges électriques dans les gaz. Certes, les phénomènes d’étincelle et d’éclair, à pression atmosphérique, avaient été décrit depuis
l’Antiquité, l’arc électrique inventé par Davy en 1813 et les décharges luminescentes
décrites par Faraday en 1839 ; mais, les décharges électriques dans les gaz basse
pression allait révéler, tout au long de la deuxième moitié du XIX
e siècle, l’essentiel
des lois microscopiques régissant la structure de la matière, tout en permettant l’accumulation d’une phénoménologie extrêmement riche décrite par Hittorf, Geissler,
Plûcker, Crookes, Goldstein et bien d’autres. En effet, que ce soit la découverte de
l’électron par J.J. Thomson en 1890, des rayons X par Röntgen en 1895, du rayonnement ultraviolet par Wiedemann la même année ou des séries spectrales de l’hydrogène à l’origine du modèle de Bohr, la physique, dite moderne, est principalement
issue de l’effort d’interprétation du comportement et du rayonnement des décharges
électriques dans les gaz basse pression.
En 1858, Plücker démontre expérimentalement la déflexion des rayons cathodiques
par un champ magnétique ; ces études sont poursuivies en 1869 par Hittorf qui établit une classification systématique des décharges luminescentes. Dès 1871, Varley
postule la nature particulaire de ces rayons cathodiques. L’émission thermoïonique
est découverte par Edison en 1883 et, en 1886, Goldstein identifie la composante
ionique des décharges ; enfin, en 1887, Hertz découvre l’effet photoélectrique. L’accumulation de données expérimentales sur les mécanismes d’émission électronique
des surfaces métalliques et de production ionique dans les gaz basse pression génère
© Dunod – La photocopie non autorisée est un délit