Qu'est-ce que « Plasma ; le modèle de l’électron libre » ? — Physique

Définition 14.1 Physique universitaire — 2e année · Chapitre 14 — Ondes électromagnétiques dans les plasmas, les conducteurs et les diélectriques

Un plasma est un gaz globalement neutre d’électrons libres (densité $n$ , masse $m$ , charge $-e$ ) et d’ions positifs qui, étant des milliers de fois plus lourds, sont supposés fixes. La haute atmosphère (ionosphère, $n \sim 10^{11}$ à $10^{12}$ m $^{-3}$ ), un tube à décharge, la couronne solaire et — aux fréquences optiques — les électrons de conduction d’un métal sont des plasmas. Les chocs sont négligés (la période de l’onde est courte devant le temps entre deux chocs). Sa fréquence caractéristique est la fréquence plasma

\omega_p = \sqrt{\frac{ne^2}{\varepsilon_0m}} , \qquad f_p = \frac{\omega_p}{2\pi} \approx 9\,\text{Hz}\times\sqrt{n\,[\text{m}^{-3}]} :

de $3\,\mathrm{MHz}$ à $9\,\mathrm{MHz}$ pour l’ionosphère, $2 \times 10^{15}\,\mathrm{Hz}$ (ultraviolet) pour un métal.

À gauche : la relation de dispersion d’un plasma — aucune propagation en dessous de _p, une hyperbole qui s’approche de la droite de lumière au-dessus. À droite : les ondes courtes situées sous la fréquence plasma sont réfléchies par l’ionosphère et rebondissent autour de la Terre ; les fréquences plus hautes s’échappent vers l’espace. — À gauche : la relation de dispersion d’un plasma — aucune propagation en dessous de $\omega_p$ , une hyperbole qui s’approche de la droite de lumière au-dessus. À droite : les ondes courtes situées sous la fréquence plasma sont réfléchies par l’ionosphère et rebondissent autour de la Terre ; les fréquences plus hautes s’échappent vers l’espace.

Exemples

Exemple 14.4 (L’ionosphère et la radio)

Avec $n = 1 \times 10^{12}\,\mathrm{m}^{-3}$ dans la couche F, $f_p = 9\,\mathrm{MHz}$ : les émissions en ondes courtes situées en dessous sont réfléchies (et peuvent faire des bonds autour de la Terre entre l’ionosphère et le sol), la FM ( $100\,\mathrm{MHz}$ ), la télévision et les liaisons satellites passent. Une onde à $3\,\mathrm{MHz}$ ne pénètre que de $1/\kappa = c/\sqrt{\omega_p^2 - \omega^2} = 6\,\mathrm{m}$ dans la couche avant de faire demi-tour. Un engin qui rentre dans l’atmosphère est enveloppé d’un plasma de $n \sim 10^{18}$ m $^{-3}$ , $f_p \sim 10\,\mathrm{GHz}$ : le contact radio est perdu pendant plusieurs minutes.

Lire dans le chapitre →