Master de physique fondamentale

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PHYSIQUE des PLASMAS
Pierre Tardiveau
Enseignant-Chercheur au Laboratoire
de Physique des Gaz et des Plasmas
[email protected]
Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013
Bibliographie et ouvrages recommandés
Physique des Plasmas – J.M. Rax – Dunod 2005
Physique des Plasmas Vol.1 et 2 – J.L. Delcroix et A. Bers – EDP Sciences 1994
Introduction to Plasma Physics (lecture notes) – J. Howard – 2002
(http://wwwrsphysse.anu.edu.au/~jnh112/AIIM/c17/)
Introduction à la physique des plasmas (cours) – S. Mazevet – 2009
(http://ipnweb.in2p3.fr/rayonnements-energie/cours/cours%20UE4/cours1.pdf)
The Physics of Plasmas (lecture notes) – R. Fitzpatrick – 2008
(http://farside.ph.utexas.edu/teaching/plasma/plasma.html)
Les plasmas froids hors-équilibre (colloque Delcroix) – J.P. Bœuf – 2007
La fusion nucléaire : de la recherche fondamentale à la production d’énergie ? –
Académie des Sciences - EDP Sciences 2007
Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013

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Physique des plasmas
Plan du cours
1 - Introduction aux plasmas
2 - Comportements collectifs dans les plasmas
3 - Collisions, transport et ionisation dans les plasmas
4 - Cas des gaz faiblement ionisés
5 - Structuration des plasmas au voisinage de parois
6 - Trajectoires de particules sous champs uniformes
7 - Dérives magnétiques et confinement d’un plasma
8 - Interaction ondes - plasma
9 - Magnétohydrodynamique (MHD)
Master de Physique Fondamentale – M1 2012-2013

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1 – Introduction aux plasmas
Définition
Un plasma est un gaz ionisé macroscopiquement neutre
électrons, ions, molécules et atomes neutres
noyaux, espèces excitées (métastables ou radiatives)
photons
Un plasma est créé à partir d’un gaz neutre par apport d’énergie
champ électrique, chauffage, accroissement de la densité, faisceau de particules
Un plasma se caractérise par des phénomènes d’interactions entre
particules chargées en présence de champs électromagnétiques
agitation thermique, interaction coulombienne et collisions,
trajectoires dans
(
)
B,E
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1 – Introduction aux plasmas - Définition
Un plasma se matérialise sous une très grande diversité
d’ « objets » ou de « structures »
dégénérés (quantiques), denses et corrélés, relativistes, classiques
naturels (astrophysique), de fusion, de décharge électrique (industrie)
comportements collectifs, collisionnels, turbulents, non-linéaires, …
Un plasma s’étudie à l’interface de nombreux domaines de la
physique et selon plusieurs descriptions possibles
électromagnétisme, physique atomique et moléculaire, mécanique des fluides
description particulaire (physique statistique), cinétique (moyenne sur les
fonctions de distribution) ou fluide
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La densité n
e
(cm
-3
) et la température électronique T
e
(K ou eV)
0e
e
nn
n
+
= α
1 – Introduction aux plasmas
Paramètres essentiels à une classification des plasmas
Plasmas non neutres ( ε < 1) : phénomènes de charge d’espace dominants
ie
ie
Znn
Zn
n
+
−
= ε
En général, l’électroneutralité est conservée :
On définit le degré d’ionisation :
n
e
électrons
n
i
ions
n
o
neutres
ie
Znn =
(0 < α < 1)
Dans certains cas, il existe un écart à la
neutralité, caractérisé par le paramètre
ε :
Plasmas quasi-neutres ( ε → 0 ou << 1) : phénomènes d’écrantage dominants
(-1 < ε < 1)
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Un chauffage à température
élevée (T > 10
4
K) induit des
collisions ionisantes
Comment crée-t-on et évalue-t-on la densité d’électrons n
e
d’un plasma ?
Ionisation d’un gaz par chauffage
i
EkT
2
3
>
k : constante de Boltzmann
Ei: énergie d’ionisation des
molécules du gaz
S’il y a suffisamment de collisions (e-e / e-i / e-n), le plasma peut être considéré
en équilibre thermodynamique et l’ionisation et la recombinaison s’équilibrent.
(
)
( )
kTEexp
h
kTm2
n
nn
i
3
23
e
0
ie
0
ie
−=
⋅ π
π
ππ
Equation de Saha (1920)
pour un gaz monoatomique
L’ionisation est entièrement déterminée par la pression (P) et la température (T),
et le gaz est en équilibre d’ionisation thermique.
1 – Introduction aux plasmas – Paramètres de classification
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Exemple d’ionisation thermique
de l’argon pour P = 1 atm.
L’équation de Saha ne s’applique plus aux fortes densités et/ou aux fortes températures.
Elle est valable pour des plasmas comme la photosphère ou les nébuleuses…
Énergies d’ionisation :
Ar
+
: 15,76 eV
Ar
2+
: 43,4 eV
1 – Introduction aux plasmas – Paramètres de classification
Xa: concentration relative de
l’espèce ‘a’ parmi toutes les
espèces présentes
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La donnée de n
e
et de αne suffit pas à caractériser l’importance de l’ionisation dans
les plasmas car elle dépend également de la température des électrons T
e
.
Gaz faiblement ionisés :
Quelques ions et électrons au milieu d’une mer de neutres (collisions e-0 ou i-0 qui
déterminent la dynamique). Ex : tube néon.
Gaz fortement ionisés :
Avec ou sans interactions entre particules (comportement collectif ou trajectoires
dans champ). Ex : couronne solaire, vent solaire.
Gaz complètement ionisés : plasma de fusion et cœur d’étoiles
Prise en compte des fréquences
de collisions entre les différentes
particules :
ν
e0
, ν
ei
et ν
ee
(s
-1
).
eeei0e
,ννν >>
eesses
vn
σ
ν
=
ns : densité des espèces cibles ‘s’
ve
: vitesse des électrons (fonction de Te)
σes
: sections efficaces de collision (fonction de ve )
eeei0e
,ννν <<
1 – Introduction aux plasmas – Paramètres de classification
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