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Le plasma, quatrième état de la matière

Saviez-vous que l’univers visible est composé de plus de 99 % de plasmas ? Cet état de la matière peu courant à l'état naturel sur Terre intéresse grandement la recherche et l’industrie. Certaines applications, comme le tube fluorescent, font désormais partie de notre quotidien. Le Centre Pompidou a initié un partenariat avec des opérateurs scientifiques et propose les 7 et 8 avril une immersion dans l’univers des plasmas au moyen d’une installation artistique : Inside Plasma. 
Quelques explications sur les plasmas.

Une découverte récente

Durant notre scolarité, nous avons appris qu’il y avait trois états de la matière : solide, liquide, gazeux, et que le passage d’un état à l’autre s’effectuait par variation du volume, de la température et/ou de la pression. Mais d’autres états moins habituels ont été découverts et en particulier le plasma, nommé aussi quatrième état de la matière.
shéma de changement d'état
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L’étude des plasmas naturels a débuté en 1925 lorsque le physicien anglais Appleton émet l’hypothèse d’une atmosphère ionisée à partir d'une certaine altitude. En 1928, Irving Langmuir, chimiste et physicien américain, prix Nobel de chimie en 1932, introduit le terme de « plasma » pour qualifier l’état qu’il observe dans des tubes à décharge électrique. La physique des plasmas est donc une science encore récente, qui n’est enseignée qu’en études supérieures.

L’atome au cœur de la structure

La différence entre ces états s’appuie sur la disposition des atomes de la matière. Pour rappel, un atome est composé d’un noyau autour duquel gravitent des électrons. Dans le cas des solides, les atomes sont serrés les uns contre les autres. L’espace entre les atomes augmente dans les liquides et plus encore dans les gaz. Lorsqu’un gaz est exposé à une énergie intense, des électrons sont arrachés au noyau de l’atome. Le gaz est ionisé, il devient plasma : une « soupe » d’électrons et de noyaux indépendants particulièrement active et propice aux collisions d’éléments. La dynamique de ces particules est modifiée.
Alors qu’un gaz est neutre, un gaz ionisé est chargé et conducteur d’électricité et d’ondes électromagnétiques. Il émet un rayonnement lumineux. 

Des exemples de plasmas

Plusieurs paramètres déterminent la nature des plasmas : le type d’atomes ou de molécules, le taux d’ionisation, l’énergie des particules et l’environnement électromagnétique… On classe généralement les plasmas en trois catégories : les plasmas spatiaux ou naturels, les plasmas industriels et les plasmas de fusion.

Le plasma naturel le plus connu et aussi le plus chaud constitue le soleil. On considère que 99 % de la matière visible de l’univers serait du plasma. Mais sur notre planète, le plasma est très peu présent. On citera les aurores boréales, les éclairs et le coeur de la flamme.
 
Une aurore boréale
Les effets lumineux de l'aurore boréale sont produits par l'ionisation de l'atmosphère quand des particules émises par le soleil la traversent, durant un orage magnétique. The Green Lady by Mireille Muggianu [CC BY-NC-ND 2.0] via Flickr
 
Le plasma industriel est partiellement ionisé en laboratoire, à des températures peu élevées à l’échelle de l’univers. Ses applications sont nombreuses et continuent à se développer avec la maîtrise des sciences des plasmas. Le champ d’application est vaste : éclairage, traitement des surfaces, gravure en microélectronique, dépollution de l’air ou de l’eau, cicatrisation des tissus, propulsion spatiale…
 
un tube fluorescent
La lumière du tube fluorescent est produite par ionisation du gaz de mercure provoquée par décharge électrique. Neon by Tim Ellis [CC BY-NC 2.0] via Flickr
 

Les plasmas de fusion cherchent à exploiter la formidable énergie des plasmas pour la transformer en énergie électrique. Les chercheurs tentent notamment de reproduire une réaction thermonucléaire comme celle produite au cœur du soleil. Le projet ITER  est le plus ambitieux mené dans ce sens.
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