1979C&T....95..205L
« Ciel et Terre », Vol. 95, 205-206, 1979
La frequence de plasma
par
J.
LEMAIREC'est en 1929 que L. Tonks et
t
Langmuir decouvrirent les oscil- lations caracteristiques d'un plasn1a (c'est-dl-dire d'un gaz ionise compose d'electrons libres et d'ions). C'est en mesurant Ie rayonne- ment emis par un arc electrique au mercure que les deux celebres physiciens ont pu mettre en evidence l'existence d'une oscillation en phase de tous les electrons libres dans un plasma.Cette frequence d'oscillation du plasma ne depend que de la densite electronique (n). EIIe est donnee par
(1) ou e et me sont respectivement la charge et la masse de l'electron.
Cette formule fut etablie pour la premiere fois par Tonks et Langmuir dans un article publie dans Physical Review (33, 195-210, 1929).
La theorie de cette oscillation y est formulee de maniere admirablement simple et claire. Lorsqu'un ensemble d'electrons est deplace par rapport aux ions dans une region Iimitee de l'espace, il se cree une distribution de charges electriques et un champ electrique de separa- tion de charges (polarisation). La direction de ce champ est telle que la force electrique agissant sur les electrons s'oppose au depla- cement collectif de ceux-ci. Comme la force de rappel d'un ressort ou bien la force gravifique dans Ie cas d'un pendule, cette force electrique tend it reduire Ie deplacement d'ensemble du gaz d'electrons,
a
annuler la separation des charges et par consequent it reetablir la quasi-neutraIite locale dans Ie plasma. Comme dans Ie cas d'un ressort ou d'un pendule, cette force de rappel est proportionnelle au depla- cement et donne naissancea
une oscillation coherente de tous les electrons autour de leur position d'equilibre. La densite de charge ainsi que Ie champ electrique varient alors localement avec la fre- quence de plasma donnee en (1). Ce sont ces variations du champ electrique que Tonks et LanglTIuir ont identifiees experimentalement en 1929.205
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1979C&T....95..205L
La frequence de plasma joue un tres grand role non seulement dans les laboratoires de physique des plasmas, mais egalement dans l'ionosphere, dans les magnetospheres planetaires, dans Ie milieu interplanetaire, en physique solaire, et, tres generalement, partout dans l'Univers ou la matiere est ionisee.
TABLEAU 1
Frequences de
plasm~aen geo,physique et en astropbysique
Plasma n (cm-3) Ve (Hz)
Region HI interstellaire 10-3 283
Region HII interstellaire
}
1 8,98 103Magnetosphere terrestre
Yen t so laire 10 28,3 103
Plasmasphere 103 283 103
Region F de l'ionosphere 106 8,98 106
Couronne solaire 108 89,8 106
Photosphere solaire 1012 8,98 109
Laboratoire - Arc electrique 1010 898 106
- Tokamak 1014 89,8 109
A titre d'exemples, nous donnons au tableau lIes valeurs de cette frequence caracteristique pour differentes valeurs des densites electroniques rencontrees en geophysique et en astrophysique (par ordre de densite electronique croissante). Si nest exprime en cm-3, la valeur de la frequence de plasma, exprimee en Hertz (ou cycle/s), est alors donnee par
Ve
==
8980 n1J2Malgre et peut-etre it cause de sa simplicite, cette formule est et restera d'une importance primordiale en physique. II en est souvent ainsi en bien d' autres domaines aussi !
