PHENOMENES DE TRANSPORT DANS LES PLASMAS

PHENOMENES DE TRANSPORT DANS LES PLASMAS

On a pris l’habitude d’appeler plasma tous les gaz ionises. Dans la nature, le plasma constitue le quatrième état de la matière et fait suite, dans l’ordre croissant des températures, aux états solides, liquides et gazeux. La phase plasma correspond, à l’équilibre thermodynamique, à l’ionisation totale d’un gaz par collision entre les particules neutres [3] [4].On distingue trois familles de plasmas:  L’état d’équilibre thermodynamique est vérifié lorsque le nombre de collisions est assez important et aussi lorsque chaque processus qui se produit dans le plasma est équilibré par son processus inverse. Les plasmas thermiques sont donc produits dans des hautes températures de l’ordre de quelques milliers de kelvin.  Lors d’une décharge électrique, la température des électrons peut rester très supérieure à celle des particules lourdes. En effet, à cause de leur mobilité les électrons sont très accélérés dans les champs électriques, leur température monte rapidement. . Le système auquel on s’intéresse dans la théorie cinétique classique des gaz, est un gaz dilué de N molécules identiques de masse m à l’intérieur d’une boîte de volume V. Le gaz dite dilué (considéré comme parfait): la distance moyenne entre molécules ~ , de sorte que les molécules sont libres et indépendantes. Il faut analyser l’influence des collisions, qui redistribuent l’énergie entre les molécules, jouant un rôle essentiel dans l’évolution vers l’équilibre d’un gaz initialement hors équilibre. Seules seront prises en compte les collisions binaires: celles qui font intervenir plus de deux molécules à la fois seront négligées, ce qui est tout à fait légitime dans un gaz dilué. Chaque molécule peut alors être considérée comme une particule classique sans structure interne avec une position et une impulsion bien définies, la température est supposée suffisamment élevée et la densité suffisamment faible [5].

Le terme décharge désigne plus généralement, tout mécanisme d’ionisation d’un gaz sous l’effet d’un champ électrique ou électromagnétique externe. Pour ioniser un gaz, on l’injecte dans une enceinte confinée sous vide partiel ou à pression atmosphérique. Le plasma est ensuite généré par l’action d’une décharge électrique dans le gaz, qui a pour rôle de transférer l’énergie à ce gaz pour l’exciter et l’ioniser. A cause de leur faible masse, les électrons libres récupèrent la quasi-totalité de cette énergie et provoquent, par collisions avec les particules lourdes du gaz (atome), leur excitation et ionisation et donc l’entretien du plasma. On distingue plusieurs types de décharges électriques: Les premières études sur les mécanismes d’initiation de décharge ont été menées par Townsend au début des années 1930.Le dispositif étudié, représenté schématiquement sur la Figure 1, est composé de deux électrodes métalliques planes soumises à une tension continue V et séparées par une distance d. Le dispositif est placé dans une enceinte de verre fermée, contenant un gaz dont la pression P est de l’ordre du torr (1torr ≃ 1,3 × 10 .

Caractérisés par de faibles courants, la décharge ne se produit que s’il existe une source extérieure produisant des charges électriques dans le gaz. Si l’ionisation extérieur est constitué par les rayons cosmiques (partie A de la Figure 2), Si la cathode est éclairée par la lumière contenant des rayons ultraviolets, les courants obtenus sont plus intenses (partie B de la figure 2) [3]. électrons accélèrent dans le champ inter électrodes acquièrent une énergie suffisante pour ioniser les atomes ou les molécules du gaz. Ils créent ainsi de nouveaux électrons qui sont aussi accélères et peuvent ioniser d’autre atomes ou molécules (partie C de la figure 2).  d’électrons sont alors produits par le bombardement ionique à la cathode pour que la décharge ne repose plus sur aucune autre source que le champ extérieur. Les densités électroniques sont faibles et les effets résultants de la charge d’espace sont négligeables. (Partie D de la figure 2). Townsend mais, il est caractérisé par de forts effets de charge d’espace. Sous l’effet du champ électrique, les électrons se déplacent très rapidement et laissent les ions derrière eux. La décharge n’est plus alors dirigée par le champ extérieur mais par le champ généré par le Ce régime présente une très faible tension de maintien et de grandes intensités de courant. La décharge se présente alors sous la forme d’un filament incandescent dégageant une forte puissance thermique. La différence essentielle entre la décharge d’arc et la décharge luminescente se situe au niveau de l’émission cathodique, l’apparition de l’arc est conditionnée parcelles des phénomènes thermiques. Lorsque l’émission de courant devient très intense, la température s’élevé localement, et contrairement au cas de la décharge luminescente l’émission s’effectue ici à partir du spot cathodique [2].