Sciences · Physique
Le plasma, quatrième état de la matière
Un plasma est un gaz si chaud ou si énergisé que ses atomes ont perdu une partie de leurs électrons : il est formé d’ions et d’électrons libres. Plus de 99 % de la matière visible de l’Univers est à l’état de plasma.
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Sur Terre, la matière se présente surtout sous forme solide, liquide ou gazeuse. Mais dans l’Univers, l’état dominant est un autre : le plasma. Les étoiles, dont le Soleil, sont d’immenses boules de plasma ; les éclairs, les aurores polaires, les flammes très chaudes et les néons en contiennent. Ce « quatrième état de la matière » se distingue du gaz par une propriété clé : il est conducteur d’électricité et réagit fortement aux champs magnétiques.
Comment se forme un plasma ?
Dans un gaz ordinaire, les électrons sont liés aux noyaux des atomes (voir atome). Si l’on apporte assez d’énergie, certains électrons sont arrachés : c’est l'ionisation. Le gaz devient un mélange d’électrons, d’ions et d’atomes neutres. Cette énergie peut venir :
- de la chaleur : au-delà de quelques milliers à quelques dizaines de milliers de degrés, les chocs entre atomes suffisent à les ioniser ;
- d’un champ électrique intense : dans un tube néon, un éclair ou une décharge, les électrons accélérés ionisent les atomes qu’ils heurtent ;
- d’un rayonnement énergétique : ultraviolet, rayons X, comme dans la haute atmosphère.
Le passage du gaz au plasma n’est pas un changement d’état brusque comme la fusion ou l’ébullition, mais une transition progressive à mesure que le taux d’ionisation augmente (voir états de la matière).
Les propriétés d’un plasma
| Propriété | Explication |
|---|---|
| Conducteur d’électricité | les charges libres peuvent circuler |
| Sensible aux champs magnétiques | les particules chargées spiralent autour des lignes de champ, ce qui permet de confiner un plasma |
| Lumineux | les électrons qui se recombinent avec les ions ou changent de niveau émettent de la lumière, de couleur caractéristique des éléments |
| Comportement collectif | les charges interagissent à distance, produisant ondes, instabilités et filaments |
| Quasi-neutre | les charges positives et négatives se compensent à grande échelle |
La couleur d’un plasma dépend du gaz : rouge-orangé pour le néon, bleu-violet pour l’argon, rose pour l’hydrogène, vert et rouge pour l’oxygène des aurores.
Où trouve-t-on des plasmas ?
Dans l’Univers
| Plasma | Température approximative | Densité |
|---|---|---|
| Cœur du Soleil | 15 millions de degrés | très élevée, plus de 100 fois celle de l’eau |
| Couronne solaire | 1 à 2 millions de degrés | extrêmement faible |
| Vent solaire | environ 100 000 °C | quelques particules par cm³ |
| Ionosphère terrestre | quelques centaines à milliers de degrés | faible |
| Milieu interstellaire et intergalactique | variable | quasi vide |
Les étoiles sont des plasmas où la fusion nucléaire transforme l’hydrogène en hélium (voir Soleil). Le vent solaire, flux de plasma émis par le Soleil, interagit avec le champ magnétique terrestre et produit les aurores polaires quand ses particules excitent les atomes de la haute atmosphère. L'ionosphère, couche de plasma entre environ 60 et 1 000 km d’altitude, réfléchit certaines ondes radio, ce qui a permis les premières liaisons radio transatlantiques.
Sur Terre
- La foudre : le canal d’un éclair est un plasma porté brièvement à environ 30 000 °C, plus chaud que la surface du Soleil (voir orages et foudre).
- Les flammes très chaudes sont faiblement ionisées ; une flamme de bougie ordinaire ne l’est que très peu.
- Les tubes néon et lampes fluorescentes : une décharge électrique ionise un gaz à basse pression.
- Les feux de Saint-Elme : lueurs de plasma aux pointes des mâts et des clochers par temps d’orage.
Les applications
| Application | Rôle du plasma |
|---|---|
| Éclairage | tubes fluorescents, lampes à décharge, enseignes néon |
| Fabrication des puces électroniques | la gravure et le dépôt par plasma sculptent les circuits à l’échelle nanométrique (voir semi-conducteurs) |
| Soudage et découpe | la torche à plasma découpe les métaux à des milliers de degrés |
| Traitement de surface | nettoyage, stérilisation d’instruments médicaux, modification de plastiques |
| Propulsion spatiale | les moteurs ioniques et à effet Hall accélèrent un plasma de xénon pour propulser les satellites et sondes |
| Écrans plasma | anciens téléviseurs, chaque pixel étant une minuscule cellule de gaz ionisé (technologie abandonnée au milieu des années 2010) |
| Médecine | coagulation, plasma froid pour la cicatrisation, en recherche |
La fusion nucléaire contrôlée
Reproduire sur Terre l’énergie des étoiles suppose de chauffer un plasma de deutérium et de tritium à plus de 100 millions de degrés, de façon que les noyaux fusionnent (voir fission et fusion nucléaire). Aucun matériau ne résiste à de telles températures : on confine le plasma avec des champs magnétiques intenses.
- Le tokamak, conçu en Union soviétique dans les années 1950-1960, confine le plasma dans un tore grâce à des aimants, souvent supraconducteurs (voir supraconductivité). Le projet international ITER, en construction à Cadarache, en France, en est le plus grand exemple.
- La fusion par confinement inertiel comprime une minuscule bille de combustible avec des lasers géants. En décembre 2022, la National Ignition Facility américaine a obtenu pour la première fois plus d’énergie de fusion que l’énergie laser déposée sur la cible, sans compter l’énergie consommée par l’installation.
La production d’électricité par fusion reste un objectif à long terme.
Les autres états exotiques
Au-delà du plasma, la physique connaît d’autres états de la matière : le condensat de Bose-Einstein, obtenu près du zéro absolu en 1995, le plasma quarks-gluons, recréé dans les grands accélérateurs et qui aurait rempli l’Univers dans ses premières microsecondes, ou la matière dégénérée des étoiles à neutrons.
Questions fréquentes
Quelle est la différence entre un gaz et un plasma ?
Un gaz est formé d’atomes ou de molécules neutres. Dans un plasma, une partie des électrons a été arrachée : il contient des charges libres, ce qui le rend conducteur et sensible aux champs électriques et magnétiques.
Le feu est-il un plasma ?
Une flamme ordinaire, comme celle d’une bougie, n’est que très faiblement ionisée : on la considère surtout comme un gaz chaud. Les flammes très chaudes et les arcs électriques sont, eux, de vrais plasmas.
Pourquoi le plasma est-il l’état le plus répandu de l’Univers ?
Parce que les étoiles, qui contiennent l’essentiel de la matière visible, sont en plasma, de même qu’une grande partie du gaz entre les étoiles et les galaxies, ionisé par le rayonnement.
Le plasma sanguin a-t-il un rapport avec le plasma physique ?
Aucun, si ce n’est le nom. Le plasma sanguin est la partie liquide du sang ; le mot vient du grec plasma, « chose façonnée ». Le physicien Irving Langmuir l’a adopté en 1928 pour désigner les gaz ionisés.