Le plasma est un état de la matière que l’on considère souvent comme un sous-ensemble des gaz, mais ces deux états se comportent très différemment. Comme les gaz, les plasmas n’ont pas de forme ou de volume fixe, et sont moins denses que les solides ou les liquides. Mais contrairement aux gaz ordinaires, les plasmas sont constitués d’atomes dont une partie ou la totalité des électrons ont été dépouillés et dont les noyaux chargés positivement, appelés ions, se promènent librement.

« Un gaz est composé de molécules et d’atomes neutres », a déclaré Xuedong Hu, professeur de physique à l’Université de Buffalo. C’est-à-dire que le nombre d’électrons chargés négativement est égal au nombre de protons chargés positivement.

« Le plasma est un gaz chargé, avec de fortes interactions de Coulomb », a déclaré Hu à Live Science. Les atomes ou les molécules peuvent acquérir une charge électrique positive ou négative lorsqu’ils gagnent ou perdent des électrons. Ce processus est appelé ionisation. Le plasma compose le soleil et les étoiles, et c’est l’état de la matière le plus courant dans l’univers dans son ensemble.

(Le plasma sanguin, d’ailleurs, est quelque chose de complètement différent. C’est la partie liquide du sang. Il est composé de 92 % d’eau et constitue 55 % du volume sanguin, selon la Croix-Rouge américaine.)

Particules chargées

Un gaz typique, comme l’azote ou le sulfure d’hydrogène, est composé de molécules qui ont une charge nette de zéro, ce qui donne au volume du gaz dans son ensemble une charge nette de zéro. Les plasmas, étant constitués de particules chargées, peuvent avoir une charge nette de zéro sur l’ensemble de leur volume mais pas au niveau des particules individuelles. Cela signifie que les forces électrostatiques entre les particules du plasma deviennent importantes, ainsi que l’effet des champs magnétiques.

Etant constitués de particules chargées, les plasmas peuvent faire des choses que les gaz ne peuvent pas faire, comme conduire l’électricité. Et puisque les charges en mouvement font des champs magnétiques, les plasmas peuvent aussi en avoir.

Dans un gaz ordinaire, toutes les particules se comporteront à peu près de la même façon. Ainsi, si vous avez du gaz dans un récipient et que vous le laissez refroidir à la température ambiante, toutes les molécules à l’intérieur se déplaceront, en moyenne, à la même vitesse, et si vous deviez mesurer la vitesse de beaucoup de particules individuelles, vous obtiendriez une courbe de distribution avec beaucoup d’entre elles se déplaçant près de la moyenne et seulement quelques-unes particulièrement lentes ou rapides. C’est parce que dans un gaz, les molécules, comme des boules de billard, se frappent les unes les autres et transfèrent de l’énergie entre elles.

Ce n’est pas le cas dans un plasma, surtout dans un champ électrique ou magnétique. Un champ magnétique peut créer une population de particules très rapides, par exemple. La plupart des plasmas ne sont pas assez denses pour que les particules entrent en collision les unes avec les autres très souvent, donc les interactions magnétiques et électrostatiques deviennent plus importantes.

Parlant des interactions électrostatiques, parce que les particules dans un plasma – les électrons et les ions – peuvent interagir via l’électricité et le magnétisme, elles peuvent le faire à des distances bien plus grandes qu’un gaz ordinaire. Cela signifie que les ondes deviennent plus importantes lorsqu’on parle de ce qui se passe dans un plasma. L’une de ces ondes est appelée onde d’Alfvén, du nom du physicien suédois et lauréat du prix Nobel Hannes Alfvén. Une onde d’Alfvén se produit lorsque le champ magnétique d’un plasma est perturbé, créant une onde qui se propage le long des lignes de champ. Il n’existe pas de véritable analogue à ce phénomène dans les gaz ordinaires. Il est possible que les ondes d’Alfvén soient la raison pour laquelle la température de la couronne solaire – également un plasma – est de plusieurs millions de degrés, alors qu’en surface, elle n’est que de quelques milliers.

Une autre caractéristique des plasmas est qu’ils peuvent être maintenus en place par des champs magnétiques. La plupart des recherches sur l’énergie de fusion se concentrent sur ce point. Pour créer les conditions de la fusion, il faut un plasma très chaud – à des millions de degrés. Comme aucun matériau ne peut le contenir, les scientifiques et les ingénieurs se sont tournés vers les champs magnétiques pour faire le travail.

Des plasmas en action

Un endroit où vous pouvez voir des plasmas en action est dans une ampoule fluorescente ou une enseigne au néon. Dans ces cas, un gaz (le néon pour les enseignes) est soumis à une haute tension, et les électrons sont soit séparés des atomes du gaz, soit poussés vers des niveaux d’énergie plus élevés. Le gaz à l’intérieur de l’ampoule devient un plasma conducteur. Les électrons excités qui retombent dans leurs niveaux d’énergie précédents émettent des photons – la lumière que nous voyons dans une enseigne au néon ou une lampe fluorescente.

Les téléviseurs à plasma fonctionnent de la même manière. Un gaz – généralement de l’argon, du néon ou du xénon – est injecté dans un espace scellé entre deux panneaux de verre. On fait passer un courant électrique dans le gaz, ce qui le fait briller. Le plasma excite des phosphores rouges, verts et bleus, qui se combinent pour émettre des couleurs spécifiques, selon eBay.

Une autre utilisation du plasma est dans les globes à plasma, qui sont remplis de mélanges de gaz nobles qui produisent les couleurs des « éclairs » à l’intérieur lorsqu’un courant électrique ionise le gaz.

Un autre exemple de plasma est dans les aurores qui entourent les pôles lorsque le soleil est particulièrement actif. Le vent solaire est un flux de particules chargées (principalement des protons), qui frappent le champ magnétique de la Terre. Ces particules, étant chargées, suivent les lignes du champ magnétique et se déplacent vers les pôles, où elles entrent en collision avec les atomes de l’air, principalement l’oxygène et l’azote, et les excitent. Comme une enseigne au néon, les atomes d’oxygène et d’azote excités émettent de la lumière.

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