Physique de la décharge

Introduction

 A leur état normal de température et de pression, les gaz sont des isolants parfaits. Cependant, si l’on applique un champ électrique suffisamment intense entre deux électrodes mises dans un milieu gazeux, celui-ci devient plus ou moins conducteur et un claquage électrique se produit. Les phénomènes complexes qui se produisent alors portent le nom de décharge électrique dans les gaz [2]. D’habitude une décharge électrique se crée essentiellement par les collisions des électrons avec les molécules du gaz. Il s’en suit la génération de nouveaux électrons et ions dans les avalanches de Townsend qui se développe jusqu’à l’établissement d’un état de maintenance. La décharge alors devient indépendante des sources extérieures qui produisent les charges électriques libres dans le gaz. L’efficacité des électrons comme producteurs de nouveaux ions, dépend de leur énergie et donc de leur libre parcours dans le champ électrique. Et comme les électrons dans une décharge ne sont pas mono-énergétiques on doit déduire leur fonction de distribution des énergies pour une étude quantitative. Finalement, l’application d’un champ électrique est nécessaire pour remplacer les électrons perdus par recombinaison, diffusion et, parfois, attachement .

Décharge électrique dans les gaz 

Définition du plasma

 Les plasmas sont désignés comme étant le quatrième état de la matière faisant suite dans l’échelle des températures aux trois états classiques : solide, liquide et gaz. Le terme de «plasma» (du grec « matière informe ») a été introduit la première fois en 1923 par les physiciens américains I. Langmuir et L. Tonks pour désigner, dans les tubes à décharge, certaines régions équipotentielles contenant un gaz ionisé électriquement neutre[5]. Ainsi, un plasma est définit comme étant analogue à un gaz mais constitué de particules chargées, d’ions et d’électrons telle que cet ensemble soit globalement électriquement neutre. De façon plus générale, la physique des plasmas joue un rôle très important en astrophysique puisque l’on estime que près de 99 % de l’univers est constitué par de la matière à l’état plasma[5]. Par la suite, les plasmas ont toujours suscité un vif intérêt en vue d’applications aussi bien dans l’industrie (torche à plasma) que dans la vie quotidienne (téléviseurs à écran plasma). Néanmoins, cette discipline se heurte à une étude théorique assez complexe [5]. C’est pourquoi, nous nous limiterons par la suite à donner et décrire quelques éléments fondamentaux qui nous permettrons de bien situer le cadre général des décharges électriques étudiées durant ce travail.

Paramètre physiques des plasmas

 Tous les plasmas n’ont pas les mêmes caractéristiques et peuvent être ainsi classifiés en fonction de certains paramètres précis. Ces paramètres sont essentiellement :  Densité électronique : la densité électronique n’est que le nombre d’électrons libres par unités de volume (cm-3 ).  Taux d’ionisation : le taux d’ionisations τi représente le rapport du nombre d’électrons libre ne sur le nombre de particules totales ne + N, où N est le nombre de particules neutres par unité de volume. Le taux d’ionisation est alors donné par: τ (I.1) On utilise également le rapport ne/N qui traduit l’importance des collisions entre particules chargées par rapport aux collisions entre particules chargées et neutres.  Température électronique : Te est la température électronique qui correspond à la température absolue en Kelvin (°K) des électrons. On utilise aussi parfois l’énergie électronique kTe (en électron-volt ev) avec k la constante de Boltzman, sachant que 1 kTe ≈ 1,4 × 104 K.  Libre parcours moyen : le libre parcours moyen λ correspond à la distance moyenne parcourue par une particule chargée entre deux collisions. Il dépend de la vitesse des particules, ainsi que de la probabilité de collision.  Longueur de Debye : la longueur de Debye définit la longueur à partir de laquelle le champ électrique Coulombien issue d’une particule chargée est neutralisé par un ensemble de particules de signe opposées dans le volume environnant. Elle est donnée par la relation suivante : 1/2 (I.2) avec ε0 la permittivité du vide (8,84 × 10-12 F/m) et e la charge élémentaire d’un électron (1,6 × 10-19 C).

Classification des plasmas

 A partir des paramètres ci-dessus, il possible alors de distinguer et classifier les différents plasmas. Cette classification permet alors de ressortir deux grandes catégories de plasmas : les plasmas « froids » et les plasmas « chauds ». Les plasmas chauds (ou thermiques) présentent une température électronique qui est proche de celle du gaz, de 5000 à 50 000°K. Ces plasmas sont dits à l’équilibre thermodynamique. Les énergies mises en jeu sont importantes. Les arcs et les torches à plasmas (utilisées en industrie pour la découpe et la soudure) sont des exemples de ce type de plasma. A l’inverse, les plasmas froids sont caractérisés par leur état hors équilibre thermodynamique. La température du gaz est dans ce cas proche de la température ambiante alors que celle des électrons (jusqu’à 104 °K) est suffisante pour permettre un taux élevé de collisions inélastiques. La majeure partie de l’énergie injectée est alors convertie en réactivité chimique, et non pas en énergie thermique 

Chocs Elastiques et Inélastiques 

Soumises à un champ électrique et donc à la force de Coulomb, les particules chargées vont entrer en collision avec les espèces chimiques environnantes. On distingue alors les collisions élastiques des collisions inélastiques. Dans les chocs élastiques, les atomes conservent la même structure interne, seule leur vitesse est accrue. Globalement, l’énergie cinétique du système reste inchangée [5]. Par contre, dans les chocs inélastiques, l’énergie interne des particules change. L’énergie de la particule incidente, dans ce cas, est suffisante pour que la particule heurtée passe à un niveau excité plus haut ou soit ionisée. Les chocs inélastiques sont donc la source d’un nombre important de réaction physico-chimiques qui vont alors modifier les propriétés macroscopiques du gaz[5]. On distingue alors les phénomènes ionisants :  Excitation : lorsqu’un atome a acquis suffisamment d’énergie pour qu’un des électrons passe à un niveau (orbital) d’énergie plus élevé. L’atome passe alors de son état fondamental à un état excité.  Ionisation : dans ce cas, l’énergie absorbée par l’atome lors de la collision est suffisante pour qu’un de ses électrons soit arraché de l’attraction du noyau. L’électron est alors soit attaché à un autre atome (attachement), soit il s’éloigne à l’infini. Puis les phénomènes déionisants :  Recombinaison : la recombinaison est le phénomène d’attachement de particules lorsqu’un ion positif rencontre un électron ou lorsque deux ions de signes contraires se rencontrent.  Détachement : c’est le phénomène qui se produit lorsqu’un ion perd son électron supplémentaire .