Plasma et arc électrique

[gogojunior]

Salut tout le monde

Je poste ce sujet car depuis quelques mois j'essaye de comprendre comment arrive t-on vraiment à cette état de la matière appelé le plasma.

En principe, cela ne paraissait pas sorcier : il suffit d'apporter suffisamment d'énergie à un gaz afin de lui arracher les électrons à ses atomes, donc je suppose en chauffant suffisamment un volume d'air, ou en appliquant un champ électrique (supérieur donc au champ disruptif de l'air) .

Mais est-ce qu'il suffit vraiment de créer un arc électrique entre 2 électrodes ou est-ce plus complexe que cela ?
Par exemple, j'ai pu constater par moi même qu'il était assez facile de créer et de maintenir un arc électrique entre 2 électrodes faites de carbone. Mais lorsque je reproduit l'expérience avec 2 électrodes faites de fer ou de cuivre, tout ce que j'ai ce sont des étincelles et pourtant, il s'agit exactement du même voltage.

En conclusion, est ce que la nature des électrodes utilisées a aussi un rôle à jouer dans le processus de création de plasma ?
-----

[LPFR]

Bonjour.
Ce qu’il faut est que la température du gaz soit élevée. Un arc électrique est une façon de créer cette situation. On le fait tous les jours dans la soudure à l’arc, des lampes à vapeur de mercure ou de sodium.
On le fait aussi avec des flammes. Plus la flamme est chaude et plus la fraction de gaz ionisé est importante. Mais même une flamme de briquet est un début de plasma.
Et vous pouvez avoir des plasmas à faible pression, comme ceux dans les tubes fluorescents, les ampoules fluocompactes et dans les tubes à décharge « tubes à néon ».
Les électrodes ne sont pas très importantes. Il y a même des lampes dont le plasma est créé avec des micro-ondes dans des ampoules fermées sans électrodes.
Au revoir.

[Deedee81]

Salut,

Notons que les plasmas à faibles pressions peuvent être à basse température (comme dans les ampoules citées par LPFR), voir aussi :

https://fr.wikipedia.org/wiki/Physiq...roid_.C2.BB.29

[gogojunior]

D'accord je crois que je commence à mieux comprendre merci beaucoup.

Et donc du coup, concernant la température d'un plasma, il s'agit en fait d'une simple transformation thermodynamique :
en supposant que le plasma soit crée dans une enceinte parfaitement calorifugée , l'énergie apportée sous forme électrique, thermique ou par micro onde est égale à la variation d'enthalpie de l'air (puisqu'il s'agit d'une transformation monobare, à priori) et on peut en déduire ainsi la température du gaz (donc du plasma) .
C'est bien ça ?

Enfin après je ne sais pas si le modèle du gaz parfait peut s'appliquer aux plasmas, qu'en dites vous ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[LPFR]

Re.
Non. C’est beaucoup plus compliqué que ça.
Surtout qu’il y a des « plasmas froids », comme l’a bien fait remarquer Deedee81. Dans ces plasmas la température des ions est faible (un peu au dessus de la température ambiante) mais la température des électrons est très élevée. Une température de 30 000 K n’a rien d’anormal.
Vous ne pouvez pas travailler avec un plasma comme si c’était un gaz ordinaire.
Et faire de la thermodynamique avec des plasmas c’est toute une spécialité à laquelle je ne connais rien.
A+

[Deedee81]

Salut,

Je n'ai fait qu'effleurer le sujet et je confirme que c'est beaucoup plus compliqué que la thermodynamique des gaz. Les phénomènes électromagnétiques y sont majeurs, ainsi que les turbulences. Ca dépend des circonstances, mais on est souvent fortement hors équilibre thermodynamique et dans des situations fortement dynamiques.

Un exemple caractéristique : les tokamaks. Malgré les connaissances fort avancées en hydrodynamique, physique statistique, électromagnétisme,... les physiciens ont dû énormément expérimenter avec des engins de plus en plus gros rien que pour apprendre à maîtriser les plasmas et leurs instabilités. Et même ITER ne sera qu'un prototype de faisabilité avant une éventuelle centrale.

[XK150]

Bonjour ,

" Et même ITER ne sera qu'un prototype de faisabilité avant un prototype ( DEMO ) d'une éventuelle centrale de production " .

Pour moi , centrale opérationnelle de production couplée au réseau : 2070 minimum . En l'état actuel des connaissances , date à réviser éventuellement .

[obi76]

Il n'y a pas que ITER, il y a aussi en Allemagne un stellerator qui va tenter de faire la même chose. Donc à voir...

[XK150]

Il n'y a pas que ITER, il y a aussi en Allemagne un stellerator qui va tenter de faire la même chose. Donc à voir...

Re ,
En dehors du fait (subjectif ) que la géométrie stellarator n'est pas la bonne voie pour la production ( beaucoup trop complexe , mais c'est une voie d'études complémentaires ),
la machine est trop petite pour espérer des extrapolations valables : le développement des grosses machines ( donc chères ) est obligatoire pour sortir 1 ou 2 GW à terme .

[obi76]

En dehors du fait (subjectif ) que la géométrie stellarator n'est pas la bonne voie pour la production ( beaucoup trop complexe , mais c'est une voie d'études complémentaires ),

Ca, c'est pas dit... Qui dit production dit aussi stabilité, et le stellerator a cet énorme avantage de pouvoir gérer bien plus facilement les disruptions.

[LPFR]

... date à réviser éventuellement .

Bonjour.
Oui. On nous promet ça pour « dans 20 ans » depuis 50 ans.
Comme pour la fin du pétrole.
Au revoir.

[XK150]

Re ,
100 ans est le délai tout à fait normal pour passer de la " découverte " à la mise en œuvre opérationnelle :
ce fut le cas pour les piles à combustibles ou encore le temps qu'il a fallu pour obtenir des panneaux solaires de mauvais rendement ...
Les progrès sont conséquents en matière de fusion nucléaire , même si peu visibles , des facteurs 10^3 , 10^5 , 10^10 ont été gagnés .
Nous sommes au niveau des avions de 1930 vis à vis des Boeing et des Airbus .
Bon , après être obligé d'admettre , on ne sait pas faire ceci ou cela aujourd'hui en 2017 peu paraître choquant à certains , mais c'est la réalité , et dans 200 ans nos descendants souriront gentiment à regarder les difficultés que nous avions à faire faire fonctionner un modeste réacteur à fusion de 1 GW ....

[Deedee81]

S'il vous plait. Le sujet c'est les plasmas. Pas Le futur du projet ITER que je n'ai pris que comme exemple pour l'étude des plasmas.

Merci de ne pas polluer le fil de gogojunior.

[LPFR]

Re.
Vous avez raison Deedee81.

Pour revenir aux plasmas et aux gaz, je me demande si dans les moteurs des fusées (p.e. Ariane), les gaz, qui sont des plasmas à ces températures, ne sont pas traités comme des « simples » gaz, mais avec les complications habituelles : supersoniques, turbulents, haute pression, etc.
(Ce n’est pas une affirmation mais une question.)
A+

[gogojunior]

Je vous remercie à tous de vos réponses . Bon j'avoue que ma question ne portait pas sur les différents projets en cour sur la fusion thermonucléaire mais comme vous je trouve ça très intéressant de voir que la physique touche à tant de domaine, notamment concernant cette future source d'énergie qu'est l'hydrogène (ou du moins ses autres isotopes...)
Mais bref oui, on s'écarte un peu des questions que je voulais vous poser
Donc vous m'avez dit qu'il existait 2 sortes de plasmas :
-ceux où seuls les électrons sont portés à haute température : les plasmas froids
-ceux où ions et électrons sont portés à haute température : les plasmas chauds
Je vais laisser de côté la thermodynamique des plasmas que je me réserve pour plus tard
Ce que j'aimerai vous demander cependant c'est, puisqu'il faut ,pour obtenir un plasma, apporter de l'énergie à un gaz, qu'est ce qui va différencier la synthèse d'un plasma chaud de la synthèse d'un plasma froid ? Est ce que c'est simplement une question d'énergie ou de puissance ?

[obi76]

Pour revenir aux plasmas et aux gaz, je me demande si dans les moteurs des fusées (p.e. Ariane), les gaz, qui sont des plasmas à ces températures, ne sont pas traités comme des « simples » gaz, mais avec les complications habituelles : supersoniques, turbulents, haute pression, etc.

Qu'ils soient supersoniques, turbulents ou à haute pression, on résout l'écoulement de la meme manière : Navier-Stokes. Ce qui peut changer, ce sont :
- la haute pression : les équations d'états qui ne sont plus les mêmes (ce ne sont plus des gaz parfaits, mais au niveau de la chambre de combustion des fluides supercritiques, donc PV = nRT, on oublie)
- le supersonique : ce sont les solveurs qui changent : on a des discontinuités dues aux ondes de choc qu'il faut propager, et ça c'est fait grâce à des schémas spécifiques (type WENO = Weighted Essentially Non-Oscillatory)
- la turbulence : ce sont des termes de sous-maille qui sont mis lors de la résolution, pour modéliser toutes les échelles turbulentes dont la taille est plus petite que les mailles (et à ces Reynolds là, il y en a !)

Mais on reste quand meme dans le cadre d'un gaz supposé à l'équilibre thermodynamique (enfin on suppose), donc le fait de moyenner les équations de Boltzmann à l'équilibre pour obtenir NS reste valable.

Là où clairement on est hors équilibre, ce sont les solveurs pour les rentrées atmosphériques : là on a un plasma qui se forme, et ce n'est plus la meme histoire.

[LPFR]

Re.
Merci Obi76.
@gogojunior :
Je pense que les plasmas froids sont ceux que l’on crée dans les gaz à basse pression avec des courants « faibles » : comme ceux des tubes néon et fluorescents.
Alors que les plasmas chauds sont ceux de la foudre, la soudure à l’arc, etc.
A+

[XK150]

Re ,

Par définition , plasma froid T < 10^5 K , exemple de production industrielle ici :http://plasmas.agmat.asso.fr/technologie/comment.htm

plasma chaud T > 10^6 K , oui , il faut chauffer , beaucoup de moyens utilisés , l'un des plus simples , le chauffage ohmique .

Ici , un document complet et remarquable , mais accessible si l'on s'intéresse au sujet : https://gargantua.polytechnique.fr/s...to/mICYYYXeyY6