L'époque où l'on associait le plasma à quelque chose d'irréel, d'incompréhensible, de fantastique est révolue depuis longtemps. Aujourd'hui, ce concept est activement utilisé. Le plasma est utilisé dans l'industrie. Il est le plus largement utilisé dans l'ingénierie de l'éclairage. Un exemple est les lampes à décharge de gaz éclairant les rues. Mais il est également présent dans les lampes fluorescentes. C'est aussi en soudure électrique. Après tout, l'arc de soudage est un plasma généré par une torche à plasma. De nombreux autres exemples pourraient être donnés.
La physique des plasmas est une branche importante de la science. Par conséquent, il est utile de comprendre les concepts de base qui s'y rapportent. C'est à cela que notre article est consacré.
Définition et types de plasma
Qu'est-ce que le plasma ? La définition en physique est assez claire. Un état plasma est un tel état de la matière lorsque celle-ci possède un nombre important (proportionné au nombre total de particules) de particules chargées (porteurs) qui peuvent se déplacer plus ou moins librement à l'intérieur de la substance. Les principaux types de plasma suivants en physique peuvent être distingués. Si les porteurs appartiennent à des particules de même type (etles particules de charge opposée, neutralisant le système, n'ont pas de liberté de mouvement), on l'appelle monocomposant. Sinon, il est - à deux ou à plusieurs composants.
Caractéristiques du plasma
Donc, nous avons brièvement décrit le concept de plasma. La physique est une science exacte, les définitions sont donc indispensables ici. Parlons maintenant des principales caractéristiques de cet état de la matière.
Les propriétés du plasma en physique sont les suivantes. Tout d'abord, dans cet état, sous l'action de forces électromagnétiques déjà faibles, le mouvement des porteurs se produit - un courant qui circule de cette manière jusqu'à ce que ces forces disparaissent en raison du blindage de leurs sources. Par conséquent, le plasma finit par passer dans un état où il est quasi-neutre. En d'autres termes, ses volumes, supérieurs à une certaine valeur microscopique, ont une charge nulle. La deuxième caractéristique du plasma est liée à la nature à longue portée des forces de Coulomb et d'Ampère. Il consiste dans le fait que les mouvements dans cet état ont, en règle générale, un caractère collectif, impliquant un grand nombre de particules chargées. Ce sont les propriétés fondamentales du plasma en physique. Il serait utile de les rappeler.
Ces deux caractéristiques conduisent au fait que la physique des plasmas est exceptionnellement riche et diversifiée. Sa manifestation la plus frappante est la facilité d'apparition de divers types d'instabilités. Ils constituent un sérieux obstacle à l'application pratique du plasma. La physique est une science en constante évolution. On peut donc espérer qu'avec le temps ces obstaclessera éliminé.
Plasma dans les liquides
En ce qui concerne des exemples spécifiques de structures, commençons par l'examen des sous-systèmes de plasma dans la matière condensée. Parmi les liquides, il faut tout d'abord nommer les métaux liquides - exemple auquel correspond le sous-système plasma - un plasma monocomposant de porteurs d'électrons. À proprement parler, la catégorie qui nous intéresse devrait également inclure les liquides électrolytiques dans lesquels il existe des porteurs - des ions des deux signes. Cependant, pour diverses raisons, les électrolytes ne sont pas inclus dans cette catégorie. L'un d'eux est qu'il n'y a pas de porteurs légers et mobiles, tels que des électrons, dans l'électrolyte. Par conséquent, les propriétés ci-dessus du plasma sont exprimées beaucoup plus faiblement.
Plasma dans les cristaux
Le plasma dans les cristaux porte un nom spécial: le plasma à l'état solide. Dans les cristaux ioniques, bien qu'il y ait des charges, ils sont immobiles. Il n'y a donc pas de plasma. Dans les métaux, ce sont des électrons de conduction qui constituent un plasma monocomposant. Sa charge est compensée par la charge des ions immobiles (plus précisément, incapables de se déplacer sur de longues distances).
Plasma dans les semi-conducteurs
Compte tenu des bases de la physique des plasmas, il convient de noter que la situation dans les semi-conducteurs est plus diversifiée. Caractérisons-le brièvement. Un plasma à un composant dans ces substances peut apparaître si des impuretés appropriées y sont introduites. Si les impuretés donnent facilement des électrons (donneurs), des porteurs de type n apparaissent - des électrons. Si les impuretés, au contraire, enlèvent facilement des électrons (accepteurs), alors des porteurs de type p apparaissent- des trous (emplacements vides dans la distribution des électrons), qui se comportent comme des particules chargées positivement. Un plasma à deux composants formé d'électrons et de trous apparaît dans les semi-conducteurs d'une manière encore plus simple. Par exemple, il apparaît sous l'action du pompage de la lumière, qui projette des électrons de la bande de valence dans la bande de conduction. Nous notons que dans certaines conditions, les électrons et les trous attirés les uns vers les autres peuvent former un état lié similaire à un atome d'hydrogène - un exciton, et si le pompage est intense et que la densité d'excitons est élevée, alors ils fusionnent et forment une goutte de liquide électron-trou. Parfois, un tel état est considéré comme un nouvel état de la matière.
Ionisation des gaz
Les exemples ci-dessus se réfèrent à des cas particuliers de l'état de plasma, et le plasma sous sa forme pure est appelé gaz ionisé. De nombreux facteurs peuvent conduire à son ionisation: champ électrique (décharge gazeuse, orage), flux lumineux (photoionisation), particules rapides (rayonnement de sources radioactives, rayons cosmiques, qui ont été découverts en augmentant le degré d'ionisation avec l' altitude). Cependant, le facteur principal est l'échauffement du gaz (ionisation thermique). Dans ce cas, la séparation d'un électron d'un atome conduit à une collision avec ce dernier d'une autre particule de gaz, qui a une énergie cinétique suffisante en raison de la température élevée.
Plasma haute et basse température
La physique du plasma à basse température est ce avec quoi nous sommes en contact presque tous les jours. Des exemples d'un tel état sont les flammes,substance dans une décharge gazeuse et la foudre, divers types de plasma d'espace froid (iono- et magnétosphères de planètes et d'étoiles), substance de travail dans divers dispositifs techniques (générateurs MHD, moteurs à plasma, brûleurs, etc.). Des exemples de plasma à haute température sont la matière des étoiles à tous les stades de leur évolution, à l'exception de la petite enfance et de la vieillesse, la substance de travail dans les installations de fusion thermonucléaire contrôlée (tokamaks, dispositifs laser, dispositifs à faisceau, etc.).
Le quatrième état de la matière
Il y a un siècle et demi, de nombreux physiciens et chimistes pensaient que la matière n'était constituée que de molécules et d'atomes. Ils se combinent en combinaisons complètement désordonnées ou plus ou moins ordonnées. On croyait qu'il y avait trois phases - gazeuse, liquide et solide. Les substances les acceptent sous l'influence de conditions extérieures.
Cependant, actuellement on peut dire qu'il y a 4 états de la matière. C'est le plasma qui peut être considéré comme nouveau, le quatrième. Sa différence avec les états condensés (solide et liquide) réside dans le fait que, comme un gaz, il n'a pas seulement une élasticité de cisaillement, mais aussi un volume fixe. D'autre part, un plasma a en commun avec un état condensé la présence d'un ordre à courte portée, c'est-à-dire la corrélation des positions et de la composition des particules adjacentes à une charge de plasma donnée. Dans ce cas, une telle corrélation n'est pas générée par des forces intermoléculaires, mais par des forces de Coulomb: une charge donnée repousse les charges de même nom avec elle-même et attire les charges opposées.
La physique des plasmas a été brièvement passée en revue par nous. Ce sujet est assez volumineux, nous ne pouvons donc que dire que nous en avons révélé les bases. La physique des plasmas mérite certainement un examen plus approfondi.
