Introduction à la Physique des Plasmas

Universit´e Paris-Sud 11
Master 1 Physique Appliqu´ee et M´ecanique
Introduction ` a la Physique des Plasmas
Jean-Luc Raimbault
Laboratoire de Physique des Plasmas
[e-mail]
2010 - 2011

Physique des plasmas et applications (3 ECTS)
Master 1 de Physique Appliqu´ee et M´ecanique
http ://www.masterpam.u-psud.fr/
Cours (14h) : Jean-Luc Raimbault,
jean-luc.raimb[email protected]olytechnique.fr
Travaux dirig´es (14h) : Kevin Cassou et Olivier Guilbaud
kevin.c[email protected] et olivier.guilb[email protected]
R´esum´e
A haute temp´erature, la dissociation puis l’ionisation des gaz conduit `a la
cr´eation de charges libres qui constituent un nouvel ´etat de la mati`ere : le
plasma. La physique des plasmas se situe en amont d’applications technolo-
giques importantes, comme les proc´ed´es plasmas utilis´es dans l’industrie mi-
cro´electronique ou les propulseurs plasmas envisag´es pour les missions d’explo-
ration spatiale lointaine. C’est ´egalement la partie de la physique permettant
de comprendre les m´ecanismes de production d’´energie ´etudi´es dans les pro-
grammes de recherche internationaux sur la fusion thermonucl´eaire par confi-
nement magn´etique (ITER) ou inertiel.
Dans ce cours, la physique des plasmas est introduite dans la description la
plus simple qui consiste `a coupler les ´equations de Maxwell avec les ´equations
de la m´ecanique des fluides. Les principaux ordres de grandeurs et quelques
m´ecanismes physiques sous-jacents sont obtenus dans ce cadre, et illustr´es par
diverses applications fondamentales et technologiques des plasmas.
Pr´erequis
Avoir suivi un module d’introduction `a la m´ecanique des fluides et un module
d’introduction `a l’´electromagn´etisme, tous deux de niveau L3.
Sommaire du cours et des tds
Introduction `a la physique des plasmas.
Rappels de th´eorie cin´etique des gaz, d’´electromagn´etisme et de m´ecanique des
fluides.
Mod´elisation fluide des plasmas. Ecrantages, plasmas collisionnels et non colli-
sionnels.
Relaxations ´electroniques et ioniques : ondes dans les plasmas.
Equilibre magn´etohydrodynamique.
Mouvement cyclotronique et d´erives ´electriques.
R´esum´e : longueurs, fr´equences et vitesses caract´eristiques dans les plasmas.
La physique des plasmas et ses applications.

Bibliographie s´elective
Cours
- Plasmas Physics and Controlled Fusion, F. F. Chen, Plenum Press, 1984.
(Niveau L3-M1-M2)
- Plasmas Dynamics, R. O. Dendy, Oxford Academic Press, 1990.
(Niveau L3-M1)
- Physique des plasmas : J.-L. Delcroix, Editions de Physique, 1994.
(Niveau M1-M2)
- Fundamentals of Plasma Physics, J. A. Bittencourt, Springer, 2004.
(Niveau L3-M1-M2)
- Physique des Plasmas, J.-M. Rax, Dunod, 2005.
(Niveau M1-M2)
- Basic Plasma Physics, B. Browning, Ed. Lulu, 2008.
(Niveau L3-M1)
Vulgarisation
- All about Lightning, M. A. Uman, Dover, 1986.
(Eclairs et Foudre)
- L’´energie des Etoiles, P.-H. Rebut, Ed. Odile Jacob, 1999.
(Orient´e Plasmas de fusion thermonucl´eaire)
- L’univers des Plasmas, P. Bradu, Flammarion, 2002.
(G´en´eralit´es sur les applications des plasmas)
- L’´etat Plasma : le feu de l’Univers, T. Lehner, Vuibert, 2004.
(Orient´e Plasmas Astrophysiques)
- L’´energie bleue, G. Laval, Ed. Odile Jacob, 2007.
(Histoire de la fusion thermonucl´eaire)
- The plasma universe, C. Suplee, Cambridge University Press, 2009.
(Applications des plasmas avec illustrations)

4

Chapitre 1
Introduction
Un plasma est un gaz ionis´e. Comme tel, il est donc constitu´e en g´en´eral
d’´electrons, d’ions, d’esp`eces atomiques ou mol´eculaires neutres et de photons.
Un gaz ionis´e ´etant obtenu par apport d’´energie `a un gaz, les plasmas sont sou-
vent pr´esent´es comme un “4`eme ´etat” de la mati`ere, faisant suite aux phases
solide, liquide et gazeuse :
solide =⇒
△Eliquide =⇒ △Egaz =⇒
∆Eplasma,
le passage d’un ´etat `a l’autre ´etant r´ealis´e par un certain apport d’´energie ∆E.
G´en´eration et maintien des plasmas
A la diff´erence des gaz neutres, les plasmas, du fait de leur caract`ere charg´e, sont
sensibles `a l’action des forces ´electromagn´etiques. Un gaz contenant toujours
quelques charges libres (ne serait-ce que par l’effet du rayonnement cosmique),
l’application d’un champ ´electrique peut communiquer une ´energie suffisante
aux particules les plus mobiles, les ´electrons, qui produisent une paire ´electron-
ion par collisions sur les esp`eces neutres selon le sch´ema r´eactionnel :
e−+n−→ i+ 2e−
o`u nd´esigne un atome ou une mol´ecule neutre et iun ion. L’´electron suppl´ementaire
produit peut `a son tour ˆetre acc´el´er´e par le champ ´electrique et entrer en colli-
sion avec un neutre, de sorte que l’on peut ainsi produire un plasma de densit´e
finie par ce m´ecanisme d’avalanche ´electronique (cf. TD). La g´en´eration des
plasmas par apport d’´energie ´electromagn´etique n’est pas le seul processus de
cr´eation des plasmas. L’apport direct de chaleur par ´el´evation de la temp´erature
(plasmas thermiques) ou par absorption de photons ´energ´etiques (photoionisa-
tion) sont 2 autres exemples de processus g´en´erateurs de plasmas. L’ordre de
grandeurs des ´energies d’ionisation des atomes ´etant de l’ordre de quelques eV
(pour les halog`enes, sauf l’hydrog`ene) `a la dizaine d’eV (pour les gaz rares),
l’ordre de grandeur de l’´energie `a apporter pour produire un plasma est de
l’ordre de l’eV, soit 11 600 Kelvin.
5