Les plasmas expliqués

Nous vivons heureusement dans la basse atmosphère gazeuse de la Terre composée d’un mélange de gaz – principalement de l’azote et de l’oxygène. Cependant, si nous nous déplaçons vers le haut de la surface de la Terre, l’environnement change et ne correspond plus à cette description. À environ 80 km au-dessus de la surface de la Terre, l’atmosphère n’est plus constituée de gaz. Elle est plutôt constituée de gaz ionisé, qui consiste en un mélange équilibré d’électrons, d’ions positifs et de particules neutres. Cet état est appelé plasma. Communément appelé le « quatrième état de la matière », de l’avis de nombreux astrophysiciens, il s’agit du tout « premier » état puisqu’il a été le premier à se former immédiatement après le Big Bang.

Pour obtenir du plasma, il faut de l’énergie pour arracher les électrons aux atomes. L’énergie peut être de différentes formes – chaleur, électrique ou lumière (lumière ultraviolette ou lumière visible intense d’un laser). Si l’énergie de maintien est insuffisante, les plasmas se recombinent en gaz neutre.

Plus loin dans l’espace, tous les gaz sont ionisés, et c’est le rayonnement électromagnétique hautement énergétique du Soleil, lui-même constitué de plasma, qui est responsable de ce processus d’ionisation. L’espace est donc dominé par le plasma. En fait, 99% de la matière de l’univers connu est du plasma.

Formes de plasma

Les plasmas se produisent naturellement mais peuvent aussi être fabriqués artificiellement. Les plasmas naturels peuvent être terrestres (terrestres) ou spatiaux (astrophysiques). Les plasmas artificiels ont été développés pour répondre aux besoins d’un large éventail d’industries de fabrication, de production et de revêtements spécialisés.

Exemples de trois formes de plasma

Propriétés du plasma

Le plasma est l’état le plus énergétique de la matière. Il est constitué d’un ensemble d’électrons en mouvement libre, d’ions positifs et de particules neutres. Bien qu’il soit étroitement lié à la phase gazeuse en ce qu’il n’a pas de forme ou de volume défini, il en diffère de plusieurs façons :

• Le plasma a une conductivité électrique très élevée.
• Le plasma est plus facilement influencé par les champs électriques et magnétiques que par la gravité
• Le mouvement des électrons et des ions dans le plasma produit ses propres champs électriques et magnétiques.
• En raison de l’état totalement chaotique et hautement énergétique des particules constitutives du plasma, celui-ci produit son propre rayonnement électromagnétique.

Pour produire et maintenir l’état hautement énergétique qui existe au sein du plasma, il faut un apport continu d’énergie.

Plasma artificiel – chaud et froid

Le plasma chaud ou thermique est produit dans les arcs, les étincelles et les flammes atmosphériques. Le plasma fortement ionisé est composé d’un grand nombre d’électrons et d’ions positifs, la température des deux étant extrêmement élevée. Selon leur puissance, les torches de découpe au plasma fonctionnent à des températures très élevées, entre 5000 et 10 000°C.

Le plasma froid ou non thermique est moins bien ionisé, et bien que les électrons soient à haute température, les ions positifs et les particules neutres sont à une température plus basse. Lorsqu’un tube d’éclairage fluorescent est allumé, un plasma froid (à température ambiante) s’installe dans le tube.

Utilisations du plasma artificiel

Les utilisations du plasma thermique s’étendent à un certain nombre d’industries, notamment l’éclairage, les revêtements et la fabrication et la purification des métaux. En voici quelques exemples :

• les lampes à arc aux halogénures métalliques utilisées pour l’éclairage par projecteurs
• les procédés de revêtement par plasma qui permettent de déposer des revêtements résistants à l’usure et à la chaleur sur des surfaces sélectionnées
• l’utilisation d’arcs électriques pour couper et souder les métaux.

A mesure que les scientifiques ont mieux compris la structure et les propriétés du plasma, de nouvelles technologies ont évolué, entraînant une expansion rapide des utilisations du plasma froid ou non thermique. Par exemple, dans la fabrication de composants de matériel informatique, des procédés tels que le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma et la gravure sont utilisés pour fabriquer des circuits intégrés. Le traitement par plasma de ce type a été déterminant dans la conception et la fabrication des ordinateurs et des téléphones cellulaires puissants et compacts qui sont d’usage courant.

Autres exemples d’utilisations du plasma froid :

• éclairage par tubes fluorescents
• téléviseurs à plasma
• contrôle environnemental – réduction des émissions de gaz polluants
• jouets à boule à plasma.

Fonctionnement du téléviseur à plasma

L’écran plat est constitué de deux panneaux de verre transparent prenant en sandwich une fine couche de pixels. Chaque pixel est constitué de trois cellules remplies de gaz. Le gaz est un mélange de néon et de xénon. L’intérieur de chaque cellule est recouvert d’un phosphore qui, lorsqu’il est stimulé, émet une lumière visible rouge, verte ou bleue. Une grille de minuscules électrodes permet de fournir du courant électrique à chaque cellule du pixel. Lorsque le courant circule, le gaz contenu dans la cellule s’ionise pour atteindre l’état de plasma, ce qui entraîne l’émission de lumière UV. Le phosphore qui recouvre les parois de la cellule absorbe cette lumière UV et est stimulé pour émettre de la lumière visible, soit rouge, verte ou bleue.

Le nombre de pixels d’un écran plasma dépend de la résolution de l’écran. Un écran plasma de résolution 1280 x 720 possède 1280 x 720 = 921 600 pixels. Chaque pixel a trois cellules, donc le plasma de résolution 1280 x 720 a 3 x 921 600 = 2 764 800 cellules individuelles.

En faisant varier les impulsions de courant circulant dans les différentes cellules, le système de contrôle peut augmenter ou diminuer l’intensité de chaque couleur de cellule pour créer des centaines de combinaisons différentes de rouge, vert et bleu. De cette façon, le système de commande peut produire des couleurs sur l’ensemble du spectre.

.