Etude et développement d'un actionneur plasma à décharge à ...

1. Revue bibliographique sur les décharges et les actionneurs plasmas
L’objet de ce chapitre est d’effectuer une synthèse bibliographique succincte sur les décharges
électriques surfaciques à pression atmosphérique. Celui-ci est composé de quatre parties.
Puisque les décharges électriques sont un type de plasmas, nous allons dans un premier temps
présenter quelques généralités sur ceux-ci. Puis, nous évoquerons les différents paramètres et
processus physiques qui interviennent au sein des plasmas, permettant ainsi leur classification. Nous
détaillerons plus amplement les décharges électriques dans les gaz à pression atmosphérique. Nous
aborderons, dans un paragraphe spécifique, une propriété induite par ces décharges : le vent électrique,
qui représente le phénomène de base de l’actionneur plasma. Enfin, nous terminerons par une revue
des différents actionneurs plasmas surfaciques employés pour le contrôle d’écoulement.
1.1. Notions générales sur les plasmas
1.1.1. Définition
Les plasmas sont désignés comme étant le quatrième état de la matière faisant suite dans l’échelle
des températures aux trois états classiques : solide, liquide et gaz. Le terme de plasma (du grec
matière informe) a été introduit pour la première fois en 1923 par les physiciens Américains I.
Langmuir et L. Tonks pour désigner, dans les tubes à décharge certaines régions équipotentielles
contenant un gaz ionisé électriquement neutre.
Dans les conditions usuelles, un milieu gazeux ne permet pas la conduction de l’électricité.
Lorsque ce milieu est soumis à un champs électrique faible, un gaz pur est considéré comme un isolant
parfait, car il ne contient aucune particule chargée libre (électron ou ion positif). Les électrons et les
ions positifs peuvent survenir si on soumet le gaz à un champ électrique de forte intensité ou à
des températures élevées, s’il est soumis à un champ électromagnétique très intense ou bien à un
bombardement de particules.
Lorsque l’ionisation est suffisante, soit un nombre d’électrons par unité de volume comparable à
celui des molécules neutres, le gaz devient alors un fluide conducteur qu’on appelle plasma. Un
plasma est définit comme étant analogue à un gaz. Il est constitué de particules chargées, d’ions
et d’électrons tel que cet ensemble soit globalement électriquement neutre.
Les plasmas sont extrêmement répandus dans l’univers puisqu’ils représentent plus de 99% de la
matière connue. On peut donc distinguer les plasmas naturels comme les étoiles, les aurores boréales,
les éclairs, l’ionosphère ou encore le vent solaire, des plasmas industriels à l’instar des torches à
plasma (découpe), des écrans de téléviseurs, et dans le domaine spatiale avec la propulsion par plasma
(moteur ionique [2]) par exemple.
1.1.2. Les processus physico-chimiques internes
Un plasma est le siège de processus réactifs entre particules qui le composent. Soumis à un champ
électrique, par conséquent à la force de Coulomb, les particules chargées vont entrer en collision avec
les molécules environnantes. On distingue alors les collisions élastiques des collisions inélastiques.
Dans les chocs élastiques, les atomes conservent la même structure interne. Ceux-ci n'échangent
pas d'énergie entre eux ni même avec le milieu extérieur, seuls leurs vecteurs vitesse respectifs
changent en direction et en norme. Globalement, l'énergie cinétique du système reste inchangée.
A contrario, dans les chocs inélastiques, l’énergie interne des particules change. L’énergie de
la particule incidente, dans ce cas, est suffisante pour que la particule heurtée passe à un niveau excité
- 11 -