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Ondes dans les plasmas (MP) Ondes EM dans les plasmas, transparents de cours, M

Ondes dans les plasmas (MP) Ondes EM dans les plasmas, transparents de cours, MP, Lycée Montesquieu (Le Mans), Olivier Granier ___________________________________________________________________________________ 2 Chapitre 2 Ondes dans les plasmas I – Propagation d’une onde électromagnétique dans un plasma : 1 – Définition d’un plasma : La matière telle qu’on la connaît sur Terre peut exister essentiellement sous trois formes bien familières : l’état solide, l’état liquide et l’état gazeux. Il existe cependant un quatrième état de la matière, appelé plasma, obtenu lorsque la matière est portée par exemple à très haute température. Un plasma est un milieu composé d’atomes ou de molécules partiellement ou complètement ionisés mais qui reste globalement électriquement neutre ; ainsi, un plasma d’hydrogène est composé d’atomes d’hydrogène, de protons (les noyaux d’hydrogène) et d’électrons libres, en proportions différentes selon la nature du plasma (plasma peu ou au contraire complètement ionisé). Ondes EM dans les plasmas, transparents de cours, MP, Lycée Montesquieu (Le Mans), Olivier Granier ___________________________________________________________________________________ 3 Les exemples de plasmas dans la nature sont nombreux ; on peut citer : La magnétosphère et l’ionosphère terrestres. Le cœur des étoiles, exemple de plasma chaud et très dense. Les tubes à néon et le phénomène de la foudre (décharges électriques). Les applications de la physique des plasmas sont très diverses et en plein développement, dans des domaines aussi variés que : La fusion thermonucléaire : en réalisant un plasma de très forte densité et à très haute température, les physiciens espèrent amorcer des réactions de fusion nucléaire et créer ainsi un générateur d’énergie considérable. L’électronique : l’utilisation de plasmas froids permet de réaliser des circuits électroniques intégrés. La télévision de l’avenir possédera certainement un écran à plasma. Traitement des matériaux : les plasmas permettent de détruire, transformer, analyser, souder, créer…la matière. Par exemple, des fibres plastiques peuvent être traitées par plasma pour devenir imperméables. Ondes EM dans les plasmas, transparents de cours, MP, Lycée Montesquieu (Le Mans), Olivier Granier ___________________________________________________________________________________ 4 Dans la suite, on choisit un modèle de plasma constitué de n ions (de masse M et charge + e) et de n électrons (de masse m et de charge – e) par unité de volume. On néglige toutes interactions entre les ions : ni attraction ou répulsion électrostatique, ni chocs. Cette hypothèse est satisfaisante pour un plasma peu dense. On note V r et v r les vitesses mésoscopiques d’un ion et d’un électron. Si un champ électrique extérieur E r est appliqué au plasma : E e dt v d m et E e dt V d M r r r r − = = Par conséquent : dt v d M m dt V d r r − = Soit, à une constante près : Ondes EM dans les plasmas, transparents de cours, MP, Lycée Montesquieu (Le Mans), Olivier Granier ___________________________________________________________________________________ 5 v M m V r r − = Par conséquent, comme m / M << 1, la vitesse des ions positifs est très faible vis-à- vis de celle des électrons. On ne prendra en compte que le mouvement des électrons. La densité volumique du plasma est : v ne v M m ne V ne v ne j r r r r r − ≈      + − = + − = 1 Elle est pratiquement égale à celle des électrons. Ondes EM dans les plasmas, transparents de cours, MP, Lycée Montesquieu (Le Mans), Olivier Granier ___________________________________________________________________________________ 6 2 – Equations de Maxwell dans le plasma : L’ionosphère est la partie de la haute atmosphère (75 à 250 km d’altitude en plusieurs couches) où les gaz sont ionisés par le rayonnement cosmique et par le vent solaire : c’est un exemple de plasma. Dans un plasma, beaucoup d'ondes de nature différentes peuvent se propager. Du fait qu'un plasma combine les effets électromagnétiques aux mouvement des particules (effets fluides ou cinétiques), en général, tout interagit, et la nature des ondes est en général plus compliquée que dans le vide ou dans les gaz neutres. Les ondes du lumière existent dans les plasmas, mais pour ne pas interagir avec celui- ci, leur fréquence doit être supérieure à l'inverse du temps que mettent les électrons à réagir sous l'influence d'un champ électrique. Cette fréquence correspond précisément à la fréquence de plasma mentionnée ci-dessus. Pour des ondes de fréquence plus basse, des ondes électromagnétiques se propagent sur des modes différents et variés. Ondes EM dans les plasmas, transparents de cours, MP, Lycée Montesquieu (Le Mans), Olivier Granier ___________________________________________________________________________________ 7 On s’intéresse à la propagation d’une onde EM plane progressive monochromatique dans un plasma. On note B et E r r les champs électrique et magnétique associés à cette onde. Ces champs agissent sur les électrons du plasma et les mettent en mouvement. L’équation du mouvement d’un électron est : B v e E e dt v d m r r r r ∧ − − = En admettant que (comme pour une onde dans le vide) c E B 1 ≈ , on voit que, tant que les ions ne sont pas relativistes : eE B v e << ∧ r r On pourra ainsi négliger la force magnétique vis-à-vis de la force électrique pour étudier le mouvement des électrons : Ondes EM dans les plasmas, transparents de cours, MP, Lycée Montesquieu (Le Mans), Olivier Granier ___________________________________________________________________________________ 8 E e dt v d m r r − = Les équations de Maxwell s’écrivent, en notant que la densité volumique de charges est nulle : t E j B rot t B E rot B div E div ∂ ∂ + = ∂ ∂ − = = = r r r r r r r 0 0 0 0 0 µ ε µ avec E m ne t v ne t j r r r 2 = ∂ ∂ − = ∂ ∂ Ondes EM dans les plasmas, transparents de cours, MP, Lycée Montesquieu (Le Mans), Olivier Granier ___________________________________________________________________________________ 9 3 – Relation de dispersion des ondes électromagnétiques planes progressives monochromatiques : On cherche une solution complexe des équations de Maxwell sous la forme : ) . ( 0 ) . ( 0 r k t i r k t i e B B et e E E r r r r r r r r − − = = ω ω On en déduit alors : E i j B k i B i E k i B k i E k i r r r r r r r r r r r 0 0 0 ; ; 0 . . µ ωε µ ω + = ∧ − − = ∧ − = = Avec : E m ne i j soit E m ne j i r r r r ω ω 2 2 − = = Et : E E m ne B k B E k r r r r r r r 0 0 2 0 ; µ ωε ω µ ω + − = ∧ − = ∧ Ondes EM dans les plasmas, transparents de cours, MP, Lycée Montesquieu (Le Mans), Olivier Granier ___________________________________________________________________________________ 10 Il vient : E E m ne E k E k k r r r r r r r 0 0 2 0 2 1 ) 1 ( µ ωε ω µ ω ω + − = = ∧ ∧ − On en déduit la relation de dispersion : 0 0 2 2 0 2 µ ε ω µ + − = m ne k Soit, avec 0 0 2 1 µ ε = c et m ne c p 2 2 0 2 µ ω = (pulsation plasma) : 2 2 2 2 c k p ω ω − = (Equation de Klein-Gordon) k est réel si p ω ω > : il y a alors propagation : le plasma agit vis-à-vis des ondes EM comme un filtre passe-haut de pulsation de coupure ωp. Ondes EM dans les plasmas, transparents de cours, MP, Lycée Montesquieu (Le Mans), Olivier Granier ___________________________________________________________________________________ 11 A haute fréquence, c k ω ≈ et c v ≈ ϕ : le comportement du plasma est proche de celui du vide (à cause de l’inertie des électrons). Ondes EM dans les plasmas, transparents de cours, MP, Lycée Montesquieu (Le Mans), Olivier Granier ___________________________________________________________________________________ 12 Si p ω ω < , alors k est imaginaire pur : " 2 2 2 ik c i k p ± = − ± = ω ω Le champ électrique de l’onde s’écrit alors sous la forme : ) cos( 0 " 0 " ) ( 0 ϕ ω ω + = = t e E E soit e e E E x k x k t i m m r r r r Seules les ondes planes monochromatiques de pulsations p ω ω > se propagent dans un plasma. Dans le cas contraire, les ondes sont stationnaires et dites évanescentes (évolution exponentielle de l’amplitude selon la direction de l’onde). Ondes EM dans les plasmas, uploads/s3/ ondes-plasma 1 .pdf