Plasma au Palais

04/12/2005

La manip' décrite ci-dessous fonctionnait au Palais de la Découverte en 2009, à Paris, dans le cadre de l'exposition "Lumière, lumières - explorer l'invisible".

Qu’est-ce qu’un "plasma" ?

Dans les conditions usuelles, un milieu gazeux ne permet pas la conduction de l’électricité. Soumis à un champ électrique faible, un gaz pur est isolant parfait. Le caractère d’isolant électrique tient au fait qu’un gaz ne contient aucune particule chargée libre (électrons ou ions positifs).

Des électrons libres et des ions positifs peuvent cependant apparaître si l’on soumet le gaz à un champ électrique de forte intensité ou à des températures suffisamment élevées, si on le soumet à un bombardement de particules ou encore s’il est soumis à un champ électromagnétique très intense.

Lorsque l’ionisation est assez importante pour que le nombre d’électrons par unité de volume soit comparable à celui des molécules neutres, le gaz, devenu plasma, est un fluide très conducteur.

D'après J. L. Delcroix - Cours de DEA (1972)

Les trois grandes catégories de plasma

Les "plasmas chauds" (étoiles, plasma de fusion…). La température des ions et des électrons est supérieure à 10 millions de degrés. Le gaz est complètement ionisé. (Equilibre thermodynamique)
Les "plasmas thermiques" (arc électrique). Les électrons, les ions et les neutres ont une température voisine de 10000 à 30000 degrés. Le gaz est presque totalement ionisé. (Equilibre thermique)
Les "plasmas froids" (décharges électriques dans les gaz) - Les électrons ont une température supérieure à 10000 degrés. Les particules lourdes neutres ou ioniques ont même température de l’ordre de 300 à 1500 degrés K. Le gaz est faiblement ionisé avec un taux d’ionisation compris entre 10-6 et 10-2 (Plasma hors équilibre)

L’expérience du Palais de la Découverte

On fait pratiquement le vide dans une enceinte cylindrique en verre - en ne laissant qu’environ quelques millionième à quelques dix-millième de la pression atmosphérique. Ensuite, on applique une haute tension négative de quelques milliers de volts entre le socle au potentiel 0 : l’"anode" - et le couvercle métallique supérieur qui devient ainsi la "cathode." Une résistance de protection de 20 K-Ohm permet de protéger le générateur haute tension en cas d’instabilité de la décharge.

Sous l’effet du champ électrique qui règne à l’intérieur du cylindre de verre, des électrons sont accélérés dans le gaz. Ils peuvent alors acquérir une énergie suffisante pour arracher d’autres électrons aux atomes neutres résiduels, et ainsi se multiplier avant d’être absorbés par l’anode.

Chemin faisant, ils abandonnent des ions gazeux chargés positivement, qui remontent lentement vers la cathode. Pratiquement, chaque fois qu’un ion positif percute la cathode, il libère un nouvel électron de la surface métallique. Celui-ci redescend à son tour vers l’anode en se multipliant le long du trajet, etc. Lorsque tous les électrons perdus à l’anode sont exactement remplacés par des électrons émis à la cathode, la décharge électrique devient "autonome". Elle peut alors fonctionner en continu sans apport extérieur d’ionisation.

En réalité, les chocs entre les électrons et les atomes ou les molécules du gaz ne parviennent pas tous à libérer un électron. Nombre de collisions entre les électrons et les neutres vont se solder par une simple "excitation électronique" de l’atome cible. Lors du choc avec un électron libre, un électron des couches périphériques de l’atome percuté migre alors sur une orbitale extérieure plus énergétique. Cette orbitale étant notoirement instable, l’électron redescend immédiatement sur son orbitale d’origine en émettant un photon lumineux. Lorsque le courant délivré par le générateur extérieur est suffisant, la décharge devient "luminescente". La lumière qui s’en échappe est alors visible à l’œil nu. Sa couleur est donnée par un ensemble de raies spectrales caractéristiques de la nature du gaz d’épreuve. (Par exemple, violet-mauve pour l’azote, rouge orangé pour le néon, rose pour l’argon, etc.)

Avec l’augmentation du courant électrique qui traverse le plasma, un nouveau processus va se manifester : à savoir la déformation du champ électrique local par la charge d’espace engendré par le plasma. Bien entendu, globalement, un plasma est électriquement neutre. C’est à dire qu’un petit élément de volume contient pratiquement autant d’électrons que d’ions positifs. Cependant, il suffit d’un très faible écart à cette neutralité électrique pour que des champs électriques apparaissent localement, avec une intensité du même ordre que celle du champ appliqué.

Dans la décharge luminescente, le plasma électriquement conducteur va alors mettre à profit cette propriété pour refouler le champ électrique vers ses frontières. La chute de potentiel se localise ainsi dans une "gaine" sombre adjacente à la cathode. La décharge luminescente va ensuite se structurer en régions bien distinctes, alternativement sombres et lumineuses qui peuvent être identifiées en fonction de leur couleur et leur luminosité.

L’extension et la forme de ces régions lumineuses spécifiques dépendent de la concentration et de la nature du gaz dans lequel la décharge électrique s’allume.

C’est ce que démontre l’expérience présentée au Palais de la Découverte, dans laquelle la pression du gaz, pilotée par un système asservi, peut être commandée très précisément pour des valeurs comprises entre ~ 5 microbars et 1000 microbars (1millibar).

Décharges électriques dans l'air

Evolution des zones lumineuses en fonction de la pression
de gauche à droite : P = 375 µb, 280 µb, 140 µb, 40 µb