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1 • Électrons, ions et plasmas
L’essentiel des méthodes et résultats présentés dans cet ouvrage sont relatifs aux
plasmas dits faiblement couplés, idéaux ou cinétiques, tels que J < 1. La majorité des plasmas naturels, industriels et de laboratoire entre dans cette catégorie et
vérifie le critère d’idéalité J < 1 comme le montrent clairement les figures 1.1 et
1.2. La physique des plasmas dits fortement corrélés (J > 1) relève de la physique
des milieux condensés et est beaucoup moins riche en terme d’instabilités, de chaos
et de turbulence, elle ne sera pas abordée dans ce cours et l’usage est d’entendre
par physique des plasmas la physique des plasmas idéaux. Pour les plasmas idéaux,
le fait que l’essentiel de l’énergie soit sous forme cinétique pourrait nous amener à
conclure que la physique des plasmas n’est qu’une branche de la physique des gaz où
le potentiel interparticulaire est coulombien. Ce n’est pas le cas, car, malgré l’agitation thermique, lorsque J < 1, l’interaction coulombienne développe une tendance
à l’auto-organisation à travers les phénomènes collectifs d’écrantage électromagnétique, d’onde, d’instabilité, de turbulence et de cinétique hors équilibre thermodynamique. La dynamique d’un plasma définit ainsi une discipline originale qui a été
amenée à développer ses propres méthodes d’études.
Un système dynamique évolue souvent de manière à minimiser l’amplitude des
forces qui l’entraînent (les exceptions à cette règle phénoménologique étant les instabilités). Compte tenu du très grand nombre de degrés de liberté d’un plasma, celui-ci
pourra souvent se réarranger pour annuler la densité volumique de forces de Coulomb
où la densité volumique de forces de Laplace. Le moyen le plus simple et le plus efficace pour annuler cette densité volumique de forces de Coulomb est simplement un
réarrangement de charges tel que : n e = Zn i où n e est la densité électronique, n i
la densité ionique et Z l’état d’ionisation. Bien entendu, si la densité volumique de
charges était identiquement nulle, sur toutes les échelles de longueur et sur toutes
les échelles de temps, toutes les interactions électriques disparaîtraient et la physique
des plasmas serait sans objet. Il faut donc considérer l’hypothèse de quasi-neutralité
comme l’ordre le plus bas d’un développement asymptotique par rapport au petit
paramètre ´ :
´ ≡
n e − Zn i
n e + Zn i
Ce paramètre permet de distinguer :
• les plasmas quasi-neutres, ´ 1, où les phénomènes d’écrantage dominent l’interaction champ-plasma à basse fréquence,
• des plasmas non-neutres, ´ 1, tels que les faisceaux et les gaines, où le champ
de charge d’espace contrôle la dynamique du milieu.
L’hypothèse de quasi-neutralité constitue l’un des concepts fondamentaux de la
physique des plasmas et sera analysée dans le chapitre trois. Ce terme apparaît de
manière récurrente dans l’argumentation physique qui précède la construction de
nombreux modèles. Cette tendance des plasmas vers la quasi-neutralité va de pair
avec une propension à l’écrantage électrique et magnétique. Cette universalité de
© Dunod – La photocopie non autorisée est un délit
1 • Électrons, ions et plasmas
L’essentiel des méthodes et résultats présentés dans cet ouvrage sont relatifs aux
plasmas dits faiblement couplés, idéaux ou cinétiques, tels que J < 1. La majorité des plasmas naturels, industriels et de laboratoire entre dans cette catégorie et
vérifie le critère d’idéalité J < 1 comme le montrent clairement les figures 1.1 et
1.2. La physique des plasmas dits fortement corrélés (J > 1) relève de la physique
des milieux condensés et est beaucoup moins riche en terme d’instabilités, de chaos
et de turbulence, elle ne sera pas abordée dans ce cours et l’usage est d’entendre
par physique des plasmas la physique des plasmas idéaux. Pour les plasmas idéaux,
le fait que l’essentiel de l’énergie soit sous forme cinétique pourrait nous amener à
conclure que la physique des plasmas n’est qu’une branche de la physique des gaz où
le potentiel interparticulaire est coulombien. Ce n’est pas le cas, car, malgré l’agitation thermique, lorsque J < 1, l’interaction coulombienne développe une tendance
à l’auto-organisation à travers les phénomènes collectifs d’écrantage électromagnétique, d’onde, d’instabilité, de turbulence et de cinétique hors équilibre thermodynamique. La dynamique d’un plasma définit ainsi une discipline originale qui a été
amenée à développer ses propres méthodes d’études.
Un système dynamique évolue souvent de manière à minimiser l’amplitude des
forces qui l’entraînent (les exceptions à cette règle phénoménologique étant les instabilités). Compte tenu du très grand nombre de degrés de liberté d’un plasma, celui-ci
pourra souvent se réarranger pour annuler la densité volumique de forces de Coulomb
où la densité volumique de forces de Laplace. Le moyen le plus simple et le plus efficace pour annuler cette densité volumique de forces de Coulomb est simplement un
réarrangement de charges tel que : n e = Zn i où n e est la densité électronique, n i
la densité ionique et Z l’état d’ionisation. Bien entendu, si la densité volumique de
charges était identiquement nulle, sur toutes les échelles de longueur et sur toutes
les échelles de temps, toutes les interactions électriques disparaîtraient et la physique
des plasmas serait sans objet. Il faut donc considérer l’hypothèse de quasi-neutralité
comme l’ordre le plus bas d’un développement asymptotique par rapport au petit
paramètre ´ :
´ ≡
n e − Zn i
n e + Zn i
Ce paramètre permet de distinguer :
• les plasmas quasi-neutres, ´ 1, où les phénomènes d’écrantage dominent l’interaction champ-plasma à basse fréquence,
• des plasmas non-neutres, ´ 1, tels que les faisceaux et les gaines, où le champ
de charge d’espace contrôle la dynamique du milieu.
L’hypothèse de quasi-neutralité constitue l’un des concepts fondamentaux de la
physique des plasmas et sera analysée dans le chapitre trois. Ce terme apparaît de
manière récurrente dans l’argumentation physique qui précède la construction de
nombreux modèles. Cette tendance des plasmas vers la quasi-neutralité va de pair
avec une propension à l’écrantage électrique et magnétique. Cette universalité de
© Dunod – La photocopie non autorisée est un délit