Des ions négatifs gazeux en bouteille

[invite13b747ca]

Bonjour

Si je met par exemple du dioxygène ou du co2 dans une bouteille en verre avec un bouchon isolant traversé par une pointe métallique, et si j'applique une haute tension (négative) à cette pointe, que se passe-t-il ?

Mes imparfaites connaissances en physique me suggèrent que la pointe va projeter des électrons dans la bouteille, qui vont bien se fixer quelque part, et si les molécules de gas acceptent plus facilement ces électrons que les atomes de la paroi en verre, les électrons se fixeront alors sur les molécules de gas, et on obtient ainsi une sorte de plasma froid (à température ambiante) en bouteille.

D'où les questions suivantes :

- Est-ce qu'on obtient bien un plasma froid ou est-ce que je me trompe quelque part ? Serait-il stable dans le temps?

- Est-il possible d'obtenir ainsi un plasma presque pur, où toutes les molécules sont ionisées, le tout à température et pression ambiante ? Et comme je suppose que non, est-ce possible avec un gas raréfié ?

- Si le gas ne peut être que très faiblement ionisé, quelle est la limite ? La tension sur la pointe ? La résistance à la pression de la bouteille ?

Je précise que je ne pense pas à ça pour du stockage d'énergie ( je sais bien que l'énergie stockée serait ridiculement faible), ou un truc étrange comme la fusion froide. C'est juste une question théorique que je me pose après avoir lu 2-3 trucs sur les plasmas froids et leurs applications industrielles.

Ah, et une autre question rigolote : si j'ouvre la bouteille et que je met ma main devant l'ouverture, est-ce que je me prend une décharge électrique ? J'aurais tendance à dire non vu que le gas est isolant et qu'il ne me transmettra pas ses charges assez vite mais bon...

Merci d'avance à ceux qui prendront le temps de répondre
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[invite13b747ca]

Personne ?

[invitedd78828e]

Bonjour,
On peut générer un plasma à partir d'un très fort champ électrique, sous certaines conditions. Ce qui va se passer est qu'un premier électron sera accéléré par ce champ et, à condition qu'il prenne suffisamment d'énergie cinétique (ce qui impose certaines conditions de densité, avec la notion de libre parcours moyen, et de potentiel électrique) il pourra alors arracher un électron à l'atome qu'il percutera. Cet atome éjectera donc un électron qui sera à son tour accéléré, il y aura un effet d'avalanche électronique.

Pour répondre à votre première question on obtient donc bien un plasma froid, mais cela se fait généralement avec un champ électrique uniforme. Ici il faudra imposer une différence de potentiel extrêmement élevée entre votre sonde et le gaz (ou il faut une sonde qui aille loin dans la bouteille), et le taux d'ionisation ne sera pas uniforme.

Pour la deuxième question, le plasma froid sera justement caractérisé par sa grande "impureté", c'est-à-dire que le nombre de charges est très faible devant le nombre de neutres (ça peut aller de 1 pour 1000 à 1 pour 1000000). Au-delà on passe dans le domaine du plasma chaud et en terme d'expérience il est tout à fait inimaginable d'y parvenir avec une simple sonde chargée. Si par gaz raréfié vous pensez à un gaz rèss très peu dense alors oui, c'est possible car le libre parcours moyen des électrons sera très grand et ils gagneront énormément d'énergie cinétique. Encore une fois, il faut voir les ordres de grandeurs !

Pour la troisième question renseignez-vous sur la sonde de Langmuir (je pense que vous avez dû en entendre parler avec les plasmas froids), c'est justement une sonde chargée qu'on place dans le plasma. En faisant varier son potentiel on détermine certains points particuliers qui permettent de connaître les grandeurs du plasma.

Pour la dernière question j'avoue que j'aurais du mal à y répondre.
Si vous bouchez la bouteille avec votre main un calcul de thermo statistique montre que vous recevrez un flux électronique de 1/4 fois le nombre d'électrons fois la vitesse thermique.
Si on dit que les électrons ont une énergie de quelques eV ça leur fait une vitesse thermique d'en gros 10^6 m/s. Il y a en gros 10^20 particules dans la bouteille d'un litre dont, on va dire, un dix-millième sont des électrons. Ça va faire un courant électrique de 10^6 (vitesse) *10^20*10^-4 (nombre)*10^-19 (charge)*10^-2 (surface de la main en m²) soit 10 A, donc normalement vous allez le sentir passer ! Cela dit je suis très sceptique vis-à-vis de mon calcul !

[invite6dffde4c]

Bonjour et bienvenu au forum.
Si la tension est assez élevée, elle ionisera des molécules et elles diffuseront vers les parois de la bouteille où elles se neutraliseront en chargeant les parois de la même polarité (ici négative). Quand la tension de la paroi sera assez élevée, le champ de la pointe sera trop petit pour ioniser des molécules et la fête s’arrêtera là. Le nombre d’ions nécessaire pour que le récipient atteigne la tension de la pointe est ridiculement petit comparé au nombre de molécules.

Si les parois du récipient ne sont pas isolées, le processus continuera indéfiniment. Mais remarquez que les ions ne s’accumulent pas. Leur concentration dans le gaz restera marginale.

En étirant beaucoup la définition de plasma, oui, vous aurez un plasma froid. Et non il n’est pas stable. Il disparaît en quelques millisecondes, à moins de créer en permanence des nouveaux ions.

Non. On ne peut pas obtenir un plasma pur, même pas à la température de l’intérieur des étoiles. La thermodynamique l’interdit, mème pas pour une température infinie.

Si la bouteille est en verre et que, une fois l’équilibre atteint, vous faites la manip d’enlever la pointe et fermer la bouteille avec votre main, il ne se passera rien. Car la bouteille se déchargera très lentement car le verre et le gaz sont mauvais conducteurs).
Au revoir.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite13b747ca]

Merci pour vos réponses !

En fait, j'ai utilisé sans doute à tord le terme de plasma froid, car ce que j'imaginais "mettre en bouteille" n'est pas une soupe d'ions positifs et d'électrons globalement neutre qui vont forcément se recombiner à basse température, mais des ions négatifs gazeux qui ne pouvant que rester des ions négatifs vu que les électrons sont en très large excès et ne peuvent pas sortir à cause de l'isolant.

J'oubliais à quel point la force électromagnétique est forte et empêche rapidement tout nouvel apport de charges. J'ai du mal à calculer la quantité d'ions pouvant être stockés en fonction du volume et de la tension appliquée, mais c'est assurément très très faible vu que 1 litre d'ions négatifs gazeux à P et T ambiante auraient une charge de près de 4000 coulomb ! (de quoi faire rougir de honte le plus gros des cumulonimbus )

Bref, on peut mettre en bouteille des ions négatifs gazeux (sans le même nombre d'ions positifs), mais avec une densité extrêmement faible dans un gaz neutre ou dans du vide.