Un plasma, c'est quoi ?

Solide, liquide, gaz... Et puis le plasma !

Publié le 12/06/2020 - Mis à jour le 6/09/2022

Le plasma est le 4^e état de la matière, il représente pas moins de 99 % de l’Univers connu ! Dans notre environnement immédiat, nous le rencontrons uniquement dans des situations exceptionnelles - les éclairs d'orage et les enseignes lumineuses. Il est donc moins connu que les trois autres états (solide, liquide, gaz).

Pourtant cet état où la matière est ionisée, constituée d'ions et d'électrons, est celui qui est le plus répandu dans l'Univers. On le trouve dans l'intérieur des étoiles et dans le milieu interstellaire, aussi bien que dans les galaxies lointaines. Saviez-vous que si nous parvenons à voir l'Univers, c’est bien grâce à cet état de plasma !

À retenir sur les plasmas

1928 : introduction par I. Langmuir du terme « plasma », qui provient du grec, pour évoquer la matière gélatineuse ou modelable. Alors qu’il observait le comportement du gaz ionisé dans des tubes à décharge, I. Langmuir remarqua que les oscillations des ions ressemblaient aux oscillations dans un milieu gélatineux, d’où l’appellation « plasma » pour désigner le 4ème état de la matière.

C’est le début du développement de la physique des plasmas qui sera également appuyée par les recherches sur les radiocommunications.

Que savons-nous alors du plasma ?

Le plasma ressemble à un gaz, sauf que les particules qui le constituent ne sont pas neutres mais chargées, ce qui a pour conséquences que le plasma conduit l’électricité et est sensible aux champs électromagnétiques. Il se comporte donc finalement de manière assez différente d'un gaz !

1901 : G. Marconi observe la réflexion des ondes (selon lui sur l’atmosphère, en réalité on découvrira plus tard qu’il s’agissait l’ionosphère).

1925 : E. Appleton introduit l’hypothèse que l’atmosphère de la Terre est ionisée à partir d’une certaine altitude. Il ouvre ainsi la voie à l’étude des plasmas naturels (astrophysiques) tandis que les plasmas dits de « laboratoire » continuent d’être explorés notamment concernant les faisceaux d’électrons comme sources de rayonnement cohérent.

Depuis 1955 :

Montée en puissance des recherches sur la fusion nucléaire contrôlée.
Développement de l'exploration spatiale qui a permis d'abord d'explorer l'ionosphère, puis d'aller de plus en plus loin dans le système solaire.
Développement des recherches sur les interactions entre plasmas et surfaces, pour aboutir à des traitements de surfaces en mécanique ou en micro-électronique grâce aux plasmas.
On a aussi montré que les plasmas créés par laser peuvent se comporter comme des sources de particules rapides ou de rayonnement, c’est-à-dire comme des accélérateurs en miniature, qui présentent une alternative aux accélérateurs traditionnels.

Depuis les années 2000 :

La recherche en physique des plasmas est en plein essor, loin de se limiter à l’astrophysique ou à la fusion, les applications industrielles sont nombreuses et prometteuses. Les plasmas sont notamment au cœur d’enjeux sociétaux majeurs tels que l'environnement (conversion du CO2), la médecine et l’agronomie. La météorologie de l’espace a aussi fait récemment son entrée dans le champ de la recherche autour des plasmas.

* Source : Introduction à la physique des plasmas, Gérard Belmont (CNRS), Laurence Rezeau, Caterina Riconda et Arnaud Zaslavsky (Sorbonne Université), juillet 2018, ISTE éditions

Pour y répondre, nous vous proposons l’extrait d’un ouvrage pour appréhender les plasmas dans toutes leurs diversités : Introduction à la physique des plasmas, Gérard Belmont (CNRS), Laurence Rezeau, Caterina Riconda et Arnaud Zaslavsky (Sorbonne Université), juillet 2018, ISTE éditions.

“On peut dire que l’état « plasma » constitue le « quatrième état de la matière ». S’il est moins connu que les trois autres (solide, liquide et gaz), c’est parce qu’il est moins présent qu’eux dans notre environnement immédiat. Pourtant, il faut savoir que la matière neutre, qui forme la plus grande partie de cet environnement, constitue une exception dans l’univers. Dans la plus grande partie de celui-ci, la matière est constituée soit totalement, soit partiellement, de particules chargées (électrons et protons en particulier) qui sont libres et non pas liées au sein d’atomes et de molécules neutres ; ce sont ces gaz de particules chargées qu’on appelle des « plasmas ». Leur principale propriété, qui les distingue des gaz neutres, est qu’ils interagissent de façon étroite avec le champ électromagnétique, d’une part parce que le mouvement des particules est régi par les champs, et d’autre part parce que l’ensemble des particules est lui-même source de champs par la densité de charge et les courants que ces mouvements entraînent. La physique des plasmas se situe donc à l’intersection entre la physique statistique et l’électromagnétisme. – Pour les plasmas naturels, elle trouve ses terrains d’application les plus développés en géophysique externe (ionosphère/magnétosphère de la Terre et des autres planètes, aurores boréales…), en physique solaire et stellaire (couronne solaire, vent solaire...) et en astrophysique (jets galactiques...). – Pour les plasmas de laboratoire, elle joue un rôle très important dans les études concernant la fusion nucléaire, que ce soit par confinement magnétique (tokamaks) ou par confinement inertiel (fusion laser) et dans la production de particules énergétiques par accélérateur plasma. – Des gaz partiellement ionisés constituent également l’état de la matière qu’on rencontre dans les décharges (foudre, tubes à néon...) ainsi que dans de nombreuses applications technologiques (traitement de surface, dépôt, gravure…).”

À la découverte du 4ème état de la matière

Partez à la découverte des plasmas avec Jérôme Pulpytel, membre de la Fédération PLAS@PAR (Maître de conférences à Sorbonne Université - laboratoire LISE).

En bonus : à la fin de vidéo Jérôme vous montre quelques expériences concrètes !

Orateur : Jérôme Pulpytel, LISE