Dans notre vie quotidienne, il est très fréquent de voir des substances dans les trois états dits (agrégation ou physique) de la matière, qui sont: solide, liquide et gazeux. Cependant, il existe un quatrième état physique de la matière, ce n'est pas si courant ici sur Terre, mais curieusement, on pense que 99% de tout ce qui existe dans l'univers est dans ce quatrième état, appelé le plasma.
Pour former le plasma, il faut que la matière à l'état gazeux soit portée à des températures très élevées, en l'occurrence, par exemple, au cœur des étoiles, comme notre Soleil, où il y a certaines régions de leur surface qui sont approximativement 84 000°C.
Le plasma est à une température d'environ 84 000 °C dans certaines régions de la surface du soleil
Cette température élevée provoque la rupture des molécules de gaz, formant des atomes libres qui, à leur tour, perdent et gagnent des électrons, générant des ions. On peut donc dire que le plasma est formé par un ensemble chaud et dense d'atomes libres, d'électrons et d'ions, dans une distribution presque neutre (le nombre de particules positives et négatives est pratiquement égal), qui ont un comportement collectif.
Certains pourraient dire que le plasma n'est pas en fait un quatrième état de la matière, mais puisqu'il s'agit d'un gaz ionisé, il est à l'état gazeux. Il est tout à fait vrai que, comme les gaz, le plasma n'a pas de forme et de volume définis, prenant la forme et le volume du récipient qui le contient. Cependant, le plasma a d'autres propriétés qui le distinguent vraiment des autres états d'agrégation.
Par exemple, puisqu'il contient des particules chargées, le plasma est un conducteur électrique, répondant fortement aux champs électromagnétiques et formant des structures telles que des filaments, des rayons et des doubles couches; ce n'est pas le cas des gaz.
Il est également intéressant de noter que le plasma non seulement réagit, mais génère des champs magnétiques. En effet, un courant électrique se forme à l'intérieur, grâce à ses électrons libres, et, par la loi d'Ampère, un champ électromagnétique se forme. Les électrons se déplacent également de façon circulaire en fonction du champ magnétique du plasma, et avec la température très élevée, ce mouvement peut provoquer l'émission d'ondes électromagnétiques. Un exemple de ces champs magnétiques extrêmement intenses que nous pouvons observer est la formation de colonnes de convection de chaleur du Soleil, qui donnent naissance à des taches solaires, des vents solaires, etc.
Ici sur Terre, le plasma ne se produit que dans des situations particulières. La première fois qu'il a été décrit, c'était lors de la création du Ampoule Crookes, développé par le physicien anglais Willian Crookes (1832-1919) dans les années 1850, également appelé Tube à rayons cathodiques. C'est un tube de verre, rempli de gaz à basse pression, et qui comporte des électrodes, c'est-à-dire un pôle négatif (cathode) et un pôle positif (anode), reliés à un générateur.
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Lorsqu'une haute tension est appliquée au gaz contenu dans l'ampoule, on observe la formation de rayons provenant de la cathode, qui ont été appelés rayons cathodiques et produisent une fluorescence verdâtre lorsqu'ils frappent la paroi en verre de l'ampoule. Ainsi, le plasma est généré dans l'ampoule de Crookes.
Image d'ampoule de Crookes 1
Le physicien anglais J. J. Thomson (1856-1940) a ensuite utilisé cette ampoule pour découvrir l'électron. Voir plus à ce sujet dans le texte L'expérience de Thomson avec les décharges électriques. En 1928, Irving Langmuir il a appelé ces rayons cathodiques "plasma" en raison de la capacité du plasma des décharges électriques à se mouler dans les tubes où ils sont générés.
Irving Langmuir a été le premier à utiliser le terme « plasma »
Un autre exemple de l'apparition de plasma ici sur Terre se produit dans le réacteurs de fusion nucléaire, dont le plus connu est le Tokamak, de Princeton, aux États-Unis, qui fonctionne à une température de 100 millions de degrés Celsius, obtenue grâce à des réactions de fission contrôlées. Le plasma est piégé à l'intérieur, où se produit une fusion thermonucléaire contrôlée d'isotopes légers d'hydrogène et d'hélium, générant une quantité colossale d'énergie. Ces mêmes réactions de fusion ont lieu sur le Soleil.
Image de l'intérieur d'un réacteur de type Tokamak, traversé par le plasma2
Dans la vie de tous les jours, nous voyons un exemple de plasma dans le lampes fluorescentes et dans les processus de stérilisation. lampes à plasma, comme celui illustré ci-dessous, peut être acheté comme souvenir.
À Aurores australes et boréales ils sont le résultat de l'excitation d'atomes et de molécules dans l'atmosphère, lorsqu'ils sont bombardés par des particules chargées expulsées du Soleil et déviées par le champ géomagnétique, étant donc des plasmas naturels.
* Crédits images :
[1] Auteur: D-Kuru/Wikimedia Commons, Licence: CC-BY-SA-3.0-AT
[2] Auteur: Mike Garrett/Wikimedia Commons
Par Jennifer Fogaça
Diplômé en Chimie
