1.1 Physique des plasmas
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Ce paramètre permet de distinguer :
• les plasmas faiblement ionisés, a < 1, par exemple les plasmas industriels et
l’ionosphère,
• des plasmas fortement ionisés, a ≈ 1, par exemple les plasmas thermonucléaires
et les plasmas stellaires.
Partant de la définition élémentaire d’un plasma comme un ensemble de charges
positives et négatives en interactions coulombiennes mutuelles, une intuition physique primaire pourrait nous amener à conclure que la dynamique d’un tel ensemble
doit être un simple collapse coulombien : la recombinaison des électrons avec les
ions donnant un fluide neutre. Une telle image est totalement fausse et ne prend pas
en compte deux éléments essentiels, contradictoires en apparence mais complémentaires en dernière analyse :
• une tendance au désordre due à l’agitation thermique,
• une tendance à l’organisation due à l’aspect dynamique et collectif de l’interaction
coulombienne.
Nous verrons que l’agitation thermique et surtout la faible réactivité due à des
contraintes cinématiques, expliquent la lenteur des recombinaisons ; le transport des
espèces aux parois, pour les plasmas de laboratoire, ou le rayonnement, pour les
plasmas astrophysiques, possèdent des échelles de temps beaucoup plus rapides ; la
recombinaison dans de telles conditions n’est donc pas dominante. Le compromis
entre une tendance au désordre, due à l’agitation thermique, et une tendance à
l’organisation, due à l’aspect collectif de l’interaction coulombienne, peut être
quantifié par un paramètre sans dimension, le paramètre plasma ou paramètre de
couplage J. Considérons un plasma de densité électronique n et de température
électronique T . L’ordre de grandeur de la densité volumique d’énergie cinétique
moyenne, E c , est donné par : E c ≈ 3nkT /2. Ce premier nombre est une mesure
de l’agitation thermique et du contenu en énergie incohérente. L’ordre de grandeur
de la densité volumique d’énergie potentielle électrostatique, E p , a pour valeur
||E p ≈ ne
2
/4p´ 0 n
−
1
3 = n
4
3 e
2
/4p´ 0 . Ce deuxième nombre est une mesure de
l’énergie d’interaction coulombienne disponible dans le milieu pour organiser des
structures ordonnées tel qu’un cristal ionique. Le rapport de ces deux nombres
définit le paramètre de couplage J ou paramètre plasma.
J ≡
||E p |
E c
≈ 10
−5
n
10 12 cm −3
1
3
T
10 6 K
−1
Ce paramètre permet de distinguer :
• les plasmas faiblement couplés, cinétiques ou idéaux, J 1, où le désordre
domine,
• des plasmas fortement couplés ou fortement corrélés, J 1, dont la structure est
de nature fluide voir cristalline, c’est-à-dire plus ou moins ordonnée.
© Dunod – La photocopie non autorisée est un délit
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Ce paramètre permet de distinguer :
• les plasmas faiblement ionisés, a < 1, par exemple les plasmas industriels et
l’ionosphère,
• des plasmas fortement ionisés, a ≈ 1, par exemple les plasmas thermonucléaires
et les plasmas stellaires.
Partant de la définition élémentaire d’un plasma comme un ensemble de charges
positives et négatives en interactions coulombiennes mutuelles, une intuition physique primaire pourrait nous amener à conclure que la dynamique d’un tel ensemble
doit être un simple collapse coulombien : la recombinaison des électrons avec les
ions donnant un fluide neutre. Une telle image est totalement fausse et ne prend pas
en compte deux éléments essentiels, contradictoires en apparence mais complémentaires en dernière analyse :
• une tendance au désordre due à l’agitation thermique,
• une tendance à l’organisation due à l’aspect dynamique et collectif de l’interaction
coulombienne.
Nous verrons que l’agitation thermique et surtout la faible réactivité due à des
contraintes cinématiques, expliquent la lenteur des recombinaisons ; le transport des
espèces aux parois, pour les plasmas de laboratoire, ou le rayonnement, pour les
plasmas astrophysiques, possèdent des échelles de temps beaucoup plus rapides ; la
recombinaison dans de telles conditions n’est donc pas dominante. Le compromis
entre une tendance au désordre, due à l’agitation thermique, et une tendance à
l’organisation, due à l’aspect collectif de l’interaction coulombienne, peut être
quantifié par un paramètre sans dimension, le paramètre plasma ou paramètre de
couplage J. Considérons un plasma de densité électronique n et de température
électronique T . L’ordre de grandeur de la densité volumique d’énergie cinétique
moyenne, E c , est donné par : E c ≈ 3nkT /2. Ce premier nombre est une mesure
de l’agitation thermique et du contenu en énergie incohérente. L’ordre de grandeur
de la densité volumique d’énergie potentielle électrostatique, E p , a pour valeur
||E p ≈ ne
2
/4p´ 0 n
−
1
3 = n
4
3 e
2
/4p´ 0 . Ce deuxième nombre est une mesure de
l’énergie d’interaction coulombienne disponible dans le milieu pour organiser des
structures ordonnées tel qu’un cristal ionique. Le rapport de ces deux nombres
définit le paramètre de couplage J ou paramètre plasma.
J ≡
||E p |
E c
≈ 10
−5
n
10 12 cm −3
1
3
T
10 6 K
−1
Ce paramètre permet de distinguer :
• les plasmas faiblement couplés, cinétiques ou idéaux, J 1, où le désordre
domine,
• des plasmas fortement couplés ou fortement corrélés, J 1, dont la structure est
de nature fluide voir cristalline, c’est-à-dire plus ou moins ordonnée.
© Dunod – La photocopie non autorisée est un délit