Classification des plasmas (types de plasma)

Les plasmas sont décrits par de nombreuses caractéristiques, comme la température, le degré d’ionisation et la densité, dont l’ampleur, et les approximations du modèle les décrivant, donne lieu à des plasmas qui peuvent être classés de différentes manières.

Pseudo-plasmas vs vrais plasmas

Un vrai plasma peut avoir des caractéristiques complexes qui ont exposé des phénomènes complexes. Pour modéliser son comportement, les scientifiques peuvent approximer et simplifier les caractéristiques d’un vrai plasma ; ce pseudo-plasma peut ou non être une représentation adéquate d’un vrai plasma. Les pseudo-plasmas ont tendance à négliger les doubles couches, les instabilités, les structures filamentaires, les faisceaux de plasma, les courants électriques et d’autres propriétés potentiellement importantes.

Plasmas froids, tièdes et chauds

En laboratoire, dans la colonne positive d’un tube à décharge lumineuse:

« …il existe un plasma composé du même nombre d’électrons et d’ions. Dans une décharge gazeuse à basse pression, le taux de collision entre les électrons et les molécules de gaz n’est pas assez fréquent pour qu’un équilibre non thermique existe entre l’énergie des électrons et celle des molécules de gaz. Ainsi, les particules de haute énergie sont principalement composées d’électrons tandis que l’énergie des molécules de gaz se situe autour de la température ambiante. Nous avons Te >> Ti >> Tg où Te, Ti et Tg sont les températures de l’électron, de l’ion et des molécules de gaz, respectivement. Ce type de plasma est appelé « plasma froid ». « Dans une décharge gazeuse à haute pression, la collision entre les électrons et les molécules de gaz se produit fréquemment. Cela provoque un équilibre thermique entre les électrons et les molécules de gaz. On a Te ≃ Tg. On appelle ce type de plasma un  » plasma chaud « . « Dans un plasma froid, le degré d’ionisation est inférieur à 10-4 ».

Aussi:

« On dit parfois qu’un plasma est « chaud » s’il est presque entièrement ionisé, ou « froid » si seulement une petite fraction, (par exemple 1%) des molécules de gaz sont ionisées, mais d’autres définitions des termes « plasma chaud » et « plasma froid » sont courantes. Même dans un plasma froid, la température des électrons est encore typiquement de plusieurs milliers de centigrades. »

Plasma chaud (plasma thermique)

Un plasma chaud dans un qui s’approche d’un état d’équilibre thermodynamique local (ETL). Un plasma chaud est également appelé plasma thermique, mais dans la littérature russe, un plasma « basse température » afin de le distinguer d’un plasma de fusion thermonucléaire. De tels plasmas peuvent être produits par des arcs atmosphériques, des étincelles et des flammes.

Plasma froid (plasma non thermique)

Un plasma froid est un plasma dans lequel le mouvement thermique des ions peut être ignoré. Par conséquent, il n’y a pas de force de pression, la force magnétique peut être ignorée, et seule la force électrique est considérée comme agissant sur les particules. Des exemples de plasmas froids comprennent l’ionopshère de la Terre (environ 1000K par rapport à la température du courant annulaire de la Terre d’environ 108K), la décharge de flux dans un tube fluorescent,

Plasma ultrafroid

Un plasma ultrafroid est un plasma qui se produit à des températures aussi basses que 1K. et peut être formé par la photoionisation d’atomes refroidis par laser. Les plasmas ultrafroids ont tendance à être assez délicats, les expériences étant réalisées sous vide.

Ionisation du plasma

Le degré d’ionisation d’un plasma est la proportion de particules chargées par rapport au nombre total de particules, y compris les neutres et les ions, et est défini comme suit : α = n+/(n + n+) où n est le nombre de neutres, et n+ est le nombre de particules chargées. α est la lettre grecque alpha.

Degré requis pour présenter un comportement de plasma

Umran S. Inan et al écrivent :

« Il s’avère qu’un très faible degré d’ionisation est suffisant pour qu’un gaz présente des propriétés électromagnétiques et se comporte comme un plasma : un gaz atteint une conductivité électrique d’environ la moitié de son maximum possible à environ 0,1% d’ionisation et avait une conductivité presque égale à celle d’un gaz complètement ionisé à environ 1% d’ionisation. »

Dans un plasma où le degré d’ionisation est élevé, les collisions de particules chargées dominent. Dans les plasmas où le degré d’ionisation est faible, les collisions entre particules chargées et neutres dominent. Le degré d’ionisation qui détermine le moment où un gaz devient un plasma varie selon les différents types de plasma, et peut être aussi faible que 10-6:

« Parmi les nombreux types de plasma, ceux qui sont couramment employés pour le traitement par plasma sont des environnements à basse température, à faible densité, hors équilibre et dominés par les collisions. Par basse température, nous entendons des plasmas « froids » avec une température normalement comprise entre 300K et 600K, par basse densité, nous entendons des plasmas avec des densités de nombre de gaz neutres d’environ 1013 à 1016 molécules cm-3 (pression entre ~ 0,1 à 103 Pa) qui sont faiblement ionisés entre 10-6 et 10-1″

Also:

« … Les collisions de Coulomb domineront les collisions avec les neutres dans tout plasma qui est même juste quelques pour cent ionisé. Ce n’est que si le niveau d’ionisation est très faible (<10-3) que les collisions neutres peuvent dominer. »

Alfvén et Arrhenius notent également:

« La transition entre un plasma entièrement ionisé et un plasma partiellement ionisé, et vice versa, est souvent discontinue (Lehnert, 1970b). Lorsque l’énergie d’entrée dans le plasma augmente progressivement, le degré d’ionisation saute brusquement d’une fraction de 1 % à une ionisation complète. Dans certaines conditions, la frontière entre un plasma entièrement ionisé et un plasma faiblement ionisé est très nette. »

Plasma entièrement ionisé

Un plasma entièrement ionisé a un degré d’ionisation proche de 1 (c’est-à-dire 100%). Les exemples incluent le vent solaire (milieu interplanétaire), les intérieurs stellaires (le noyau du Soleil), les plasmas de fusion

Plasma partiellement ionisé (gaz faiblement ionisé)

Un plasma partiellement ionisé a un degré d’ionisation qui est inférieur à 1. Les exemples incluent l’ionosphère (2×10-3), les tubes à décharge de gaz.

L’aurore peut exposer les propriétés d’un gaz faiblement ionisé et d’un plasma faiblement ionisé:

« Si nous observons une aurore dans le ciel nocturne, nous obtenons une démonstration ostensible et spectaculaire de la différence entre le comportement du gaz et du plasma. Les aurores faibles sont souvent diffuses et s’étendent sur de grandes surfaces. Elles correspondent raisonnablement bien à l’image d’un gaz ionisé. Le degré d’ionisation est si faible que le milieu possède encore certaines des propriétés physiques d’un gaz homogène sur de grands volumes. Cependant, dans certains autres cas (par exemple, lorsque l’intensité de l’aurore augmente), l’aurore devient très inhomogène, constituée d’une multitude de rayons, d’arcs minces et de draperies une illustration ostensible des propriétés fondamentales de la plupart des plasmas magnétisés. »

Le professeur associé de physique, Richard Fitzpatrick, écrit:

« Notez que le comportement de type plasma s’ensuit après qu’une fraction remarquablement petite du gaz ait subi une ionisation. Ainsi, les gaz ionisés de manière fractionnée présentent la plupart des phénomènes exotiques caractéristiques des gaz entièrement ionisés. »

Plasmes collisionnels

Plasmes non collisionnels

Plasmes neutres

Plasmes non neutres

Plasmes de densité

Plasmes de densité moyenne

Plasmes magnétiques

Plasmes non…magnétiques

Plasmes complexes

Plasmes poussiéreux et plasmas de grains

Un plasma poussiéreux est un plasma contenant des particules de taille nanométrique ou micrométrique en suspension. Un plasma de grains contient des particules plus grandes que les plasmas poussiéreux. Les exemples incluent les comètes, les anneaux planétaires, les surfaces poussiéreuses exposées et le nuage de poussière zodiacal.

Plasmas colloïdaux, plasmas liquides et cristaux de plasma

« Un cristal de Coulomb macroscopique de particules solides dans un plasma a été observé. Les images d’un nuage de particules de « poussière » de 7-μm, chargées et lévitées dans un plasma d’argon faiblement ionisé, révèlent une structure cristalline hexagonale. Le cristal est visible à l’œil nu. »

« Les plasmas colloïdaux peuvent se « condenser » dans certaines conditions en états liquide et cristallin, tout en conservant leurs propriétés essentielles de plasma. Cette « condensation du plasma » conduit donc à de nouveaux états de la matière : les « plasmas liquides » et les « cristaux de plasma ». Cette découverte expérimentale a été rapportée pour la première fois en 1994″.

« Des phases liquides et cristallines peuvent être formées dans des plasmas dits complexes – des plasmas enrichis en particules solides de l’ordre du nano- au micromètre. Ces particules absorbent les électrons et les ions et se chargent négativement jusqu’à quelques volts. En raison de leur masse élevée par rapport à celle des électrons et des ions, les particules dominent les processus dans le plasma et peuvent être observées au niveau le plus fondamental, le niveau cinétique. Grâce à la forte interaction coulombienne entre les particules, il est possible que les nuages de particules forment des structures fluides et cristallines. Ces dernières sont appelées ‘cristal de plasma’. »

Plasmas actifs et passifs

Hannes Alfvén écrit:

« Les régions de plasma passif, qui peuvent être décrites par la théorie hydrodynamique classique. Elles transmettent des ondes et des particules chargées de haute énergie mais si les courants alignés sur le champ dépassent une certaine valeur, ils sont transférés dans. Les régions de plasma actif : Elles véhiculent des courants alignés sur le champ qui leur confèrent une structure filamentaire ou en feuille dont l’épaisseur peut atteindre quelques rayons cyclotron (ionique ou même électronique). Elles transmettent l’énergie d’une région à l’autre et produisent des doubles couches électriques qui accélèrent les particules à des énergies élevées. Les régions actives ne peuvent pas être décrites par des théories hydromagnétiques. Les conditions aux limites sont essentielles et peuvent être introduites par la théorie des circuits »

Alfvén poursuit:

Plasma passif

« Ces régions peuvent transmettre différents types d’ondes de plasma et de flux de particules de haute énergie. Il peut y avoir des courants transitoires perpendiculaires au champ magnétique changeant l’état de mouvement du plasma mais pas nécessairement associés à de forts champs électriques et des courants parallèles au champ magnétique. Un plasma de ce type remplit la majeure partie de l’espace. »

Plasma actif

« Outre les régions passives du plasma, il existe aussi des régions petites mais très importantes où circulent des courants filamentaires et des courants en nappe (Alfvén, 1977a). En transférant l’énergie et en produisant des frontières nettes entre différentes régions de plasmas passifs, ils ont une importance décisive pour le comportement global des plasmas dans l’espace. Il existe deux types différents – mais quelque peu liés – de telles régions que nous appellerons câbles de plasma et feuilles de courant de frontière. »

Plasmas idéaux et non idéaux

Un plasma idéal est un plasma dans lequel les collisions de Coulomb sont négligeables, sinon le plasma est non idéal.

« Aux faibles densités, un plasma à basse température, partiellement ionisé, peut être considéré comme un mélange de gaz idéaux d’électrons, d’atomes et d’ions. Les particules se déplacent à des vitesses thermiques, principalement le long de trajectoires rectilignes, et n’entrent en collision les unes avec les autres qu’occasionnellement. En d’autres termes, les temps de libre parcours s’avèrent supérieurs à ceux de l’interaction interparticulaire. Avec une augmentation de la densité, les distances moyennes entre les particules diminuent et les particules commencent à passer encore plus de temps à interagir entre elles, c’est-à-dire dans les champs des particules environnantes. Dans ces conditions, l’énergie moyenne de l’interaction interparticulaire augmente. Lorsque cette énergie devient comparable à l’énergie cinétique moyenne du mouvement thermique, le plasma devient non idéal. »

Plasmas à haute densité énergétique (plasmas HED)