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(Fichiers en rouge-histoire) Index 4.Electrons 4H. Thomson, 1896 4a. Fluide électrique 5. Lignes de champ 5H. Faraday 1846 5a-1. Induction EM–1 5a-2. Induction EM–2 6. ondes EM 7. plasma 7a.lampe fluorescente 7H. Langmuir, 1927 8.Ions positifs 8H. Arrhenius, 1884

Le plasma est parfois appelé « le quatrième état de la matière », au-delà des trois familiers – solide, liquide et gaz. Il s’agit d’un gaz dans lequel les atomes ont été fragmentés en électrons négatifs flottant librement et en ions positifs, des atomes qui ont perdu des électrons et se retrouvent avec une charge électrique positive. Dans la basse atmosphère où nous vivons, tout atome qui perd un électron (par exemple, en étant frappé par une particule de rayon cosmique rapide) le récupère rapidement ou un autre semblable. La situation est tout à fait différente à des températures élevées, comme celles qui règnent sur le Soleil. Plus le gaz est chaud, plus ses atomes et ses molécules se déplacent rapidement et, à très haute température, les collisions entre ces atomes en mouvement rapide sont suffisamment violentes pour arracher des électrons. Dans l’atmosphère du Soleil, une grande fraction des atomes est à tout moment « ionisée » par ces collisions, et le gaz se comporte comme un plasma. Contrairement aux gaz froids (par exemple l’air à température ambiante), les plasmas conduisent l’électricité et sont fortement affectés par les champs magnétiques. La lampe fluorescente, largement utilisée à la maison et au travail, contient un gaz inerte raréfié avec une fraction d’un pour cent de vapeur de mercure, qui produit un plasma lorsqu’il est chauffé et agité par l’électricité, provenant de la ligne électrique à laquelle la lampe est connectée. La ligne électrique rend une extrémité électriquement positive et l’autre négative (voir le dessin ci-dessous), ce qui accélère les ions (+) vers l’extrémité (-) et les électrons (-) vers l’extrémité (+). Les particules accélérées gagnent en énergie, entrent en collision avec des atomes, éjectent des électrons supplémentaires et maintiennent ainsi le plasma, même si certaines autres particules se recombinent. Les collisions font également que les atomes de mercure émettent de la lumière. En fait, cette source de lumière est plus efficace que les ampoules classiques. Les enseignes au néon et les lampadaires fonctionnent sur un principe similaire, et certains dispositifs à plasma sont (ou étaient) utilisés en électronique.

Comme indiqué, le Soleil est constitué de plasma. Un autre plasma important dans la nature est l’ionosphère, qui commence à environ 70-80 km au-dessus du sol. Ici, les électrons sont arrachés aux atomes par la lumière solaire de courtes longueurs d’onde, allant de l’ultraviolet aux rayons X : ils ne se recombinent pas trop facilement car l’atmosphère se raréfie à haute altitude et les collisions ne sont pas fréquentes. La partie la plus basse de l’ionosphère, la « couche D » à 70-90 km, connaît encore suffisamment de collisions pour qu’elle disparaisse après le coucher du soleil. Les ions et électrons restants se recombinent alors, tandis qu’en l’absence de lumière solaire, de nouveaux ions et électrons ne sont plus produits. Toutefois, cette couche est rétablie au lever du soleil. Au-dessus de 200 km, les collisions sont si peu fréquentes que l’ionosphère persiste jour et nuit.

L’ionosphère sommitale s’étend sur plusieurs milliers de km dans l’espace et fusionne avec la magnétosphère, dont les plasmas sont généralement plus raréfiés mais aussi beaucoup plus chauds. Les ions et les électrons du plasma magnétosphérique proviennent en partie de l’ionosphère inférieure, en partie du vent solaire (paragraphe suivant), et de nombreux détails de leur entrée et de leur chauffage ne sont pas encore clairs.

Enfin, il existe le plasma interplanétaire – le vent solaire. La couche la plus externe du Soleil, la couronne, est si chaude que non seulement tous ses atomes sont ionisés, mais ceux qui ont commencé avec beaucoup d’électrons en ont plusieurs (parfois tous) arrachés, y compris les électrons situés plus profondément qui sont plus fortement attachés. Par exemple, une lumière caractéristique a été détectée dans la couronne à partir du fer qui a perdu 13 électrons.

Cette température extrême empêche également le plasma de la couronne d’être retenu captif par la gravité du Soleil, et au lieu de cela, il s’écoule dans toutes les directions, remplissant le système solaire bien au-delà des planètes connues les plus éloignées. Par le biais du vent solaire, le Soleil façonne le champ magnétique lointain de la Terre, et le flux rapide du vent (~400 km/s) fournit l’énergie qui alimente finalement les aurores polaires, les ceintures de radiation et les phénomènes d’orages magnétiques.

Lecture complémentaire:

La physique des plasmas est un domaine difficile et mathématique, dont l’étude nécessite une compréhension approfondie de la théorie électromagnétique. Certains textes de collège sur l’électricité et le magnétisme traitent des aspects de la physique des plasmas, par exemple le chapitre 10 de « Classical Electrodynamics » de J.D. Jackson. Questions des utilisateurs :
*** Énergie électrique et magnétique
*** Comment contient-on un plasma ?
*** La physique des plasmas peut-elle expliquer la foudre en boule ?
*** Le feu est-il un plasma ?
*** Le plasma spatial peut-il aider à la propulsion des engins spatiaux ?