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La supraconductivité

 

La supraconductivité c'est la résistance quasi nulle au sein de certains métaux, alliages ou céramique lors du passage du courant.

 

 

 

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>> Sommaire de cette page

 

 

 1. Introduction

 2. Découverte et Historique de la supraconductivité

 3. Explications du phénomène

 4. Applications des phénomènes de supraconduction

 

 

 

>> Introduction

 

 

La supraconductivité c'est la résistance quasi nulle au sein de certains métaux, alliages ou céramique lors du passage du courant. Les courants peuvent donc circuler sans dissipation d'énergie. Un mot magique pour des phénomènes extraordinaires ! La lévitation magnétique est de loin la manifestation la plus spectaculaire du phénomène de supraconductivité avec de nos jours la réalisation de trains à très grandes vitesses.

 

 

 

Au cours de ce dossier, nous retracerons dans un premier temps les grandes étapes historiques des avancées et découvertes sur la supraconductivité. Puis nous tâcherons en abordant une explication quantique d'en expliquer les causes. Enfin dans une dernière partie nous présenterons les différents applications possibles de ce phénomène.

 

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>> Découverte et historique de la supraconductivité

 

 

La supraconductivité fut découverte en 1911 par le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes, qui remarqua qu'à une température inférieure à 4,2 K (-268,8°C), le mercure ne présentait plus aucune résistance électrique.

Ce qui caractérise plus fondamentalement un supraconducteur est sa capacité d'exclure les lignes de champ magnétique : si on plonge un objet supraconducteur dans un champ magnétique, un courant de surface apparaît qui produit un contre champ magnétique tel que le champ magnétique total est nul à l'intérieur de l'objet. C'est en 1939 que W. Meissner et R. Ochsenfeld ont observé cet effet (appelé effet Meissner) sur le plomb. C'est sur l'effet Meissner que se base la lévitation magnétique.


Les premières découvertes quantiques

Mais la physique fondamentale de la supraconductivité ne fut maîtrisée qu'à partir de 1957, lorsque les physiciens américains John Bardeen, Leon Cooper et John Schrieffer élaborèrent une théorie qui leur valut le prix Nobel de physique en 1972 : la théorie BCS. Cette théorie décrit la supraconductivité comme un phénomène quantique. En 1962, le physicien britannique Brian Josephson, étudiant la nature quantique de la supraconductivité, prédit le passage d'un courant entre deux supraconducteurs séparés par une mince couche isolante. Ce phénomène, qui fut confirmé expérimentalement par la suite, est aujourd'hui connu sous le nom d'effets Josephson.

Jusqu'à cette époque, les scientifiques étaient persuadés que tous les supraconducteurs agissaient de la même façon en présence d'un champ magnétique. Ils savaient que la supraconductivité disparaît si elle est soumise à un champ magnétique plus intense qu'un certain champ critique Bc, et que la valeur de ce champ critique dépend de la température. Ainsi, l'objet pouvait se trouver soit dans l'état normal, soit dans l'état supraconducteur, selon la valeur de la température et du champ magnétique appliqué. Aujourd'hui, on qualifie les matériaux se comportant de cette façon de supraconducteurs de première espèce ou de premier type.



Cependant, tel n'est pas le cas pour tous les supraconducteurs. En 1962 un deuxième type de supraconducteurs a été découvert. Ces matériaux de deuxième espèce possèdent deux champs magnétiques critiques (B_c1 et B_c2) dépendants de la température. Ainsi, ils peuvent se trouver dans trois états : l'état normal, l'état supraconducteur et l'état mixte. Sous B_c1, le matériau est complètement à l'état supraconducteur. Lorsqu'il franchit ce champ magnétique critique, il se retrouve à l'état mixte, c'est-à-dire que le flux magnétique commence à pénétrer dans l'objet à travers de minces faisceaux appelés vortex. Le centre de chacun des vortex est caractérisé par une conductivité normale, et le flux les traversant est gardé constant par des boucles de courant persistant se formant sur leur circonférence. La densité des vortex augmente en proportion du champ appliqué. Si ce champ dépasse B_c2, le matériau atteint l'état normal, de la même façon que s'il avait outrepassé la température critique sans être soumis à un quelconque champ magnétique extérieur.



Pendant 15 ans, la théorie BCS a permis aux scientifiques de bien comprendre le monde de la supraconductivité, donc de pouvoir prédire des propriétés des supraconducteurs et d'élaborer de nouvelles expériences.
Par la suite, les scientifiques s'attachèrent à synthétiser des matériaux supraconducteurs à des températures les moins basses possibles. En effet, pour travailler à des températures proches du zéro absolu, il fallait alors utiliser l'hélium liquide, un agent de refroidissement coûteux et peu performant. Par ailleurs, une exploitation à température ultra basse imposait des contraintes sévères qui diminuaient considérablement le rendement du supraconducteur. Jusqu'en 1986, la plus haute température critique connue était ainsi de 23,2 K (-249,8°C), relative au niobiure de germanium.

Mais, en 1986, on découvrit dans plusieurs centres de recherche et de laboratoires d'universités que les composés d'oxydes métalliques céramiques contenant des lanthanides pouvaient être supraconducteurs à des températures suffisamment élevées pour utiliser
l'azote liquide comme agent de refroidissement. À 77 K (-266°C), l'azote liquide refroidit en effet vingt fois plus efficacement que l'hélium liquide, alors qu'il coûte dix fois moins cher. Ainsi, le physicien suisse Karl Müller et le physicien allemand Johannes Georg Bednorz élaborèrent cette année-là un oxyde de lanthane, baryum et cuivre, supraconducteur à 35 K. Leurs travaux, qui furent couronnés par le prix Nobel de physique l'année suivante, déclenchèrent alors une «course aux hautes températures». En 1988, on parvint à fabriquer des supraconducteurs à plus de 100 K.


À ce jour, la plus haute température critique reproductible associée à un supraconducteur atteint 164 K (-109 C), et ce en utilisant du mercure hautement pressurisé. Il n'existe encore aucune explication satisfaisante de la supraconductivité dans ces matériaux mais à l'image des 40 ans au cours desquels fut petit à petit élaboré la théorie BCS, la patience est de mise.

  

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>> Explications du phénomène

 

 

Tout d'abord commençons par une petite introduction de physique quantique ! Le mot clé est : quantum ! Un quantum d'énergie qui correspond à une quantité d'énergie de la dualité onde – corpuscule ! L'énergie ne peut s'échanger que par quanta : la discontinuité est de mise en physique !

Les phonons sont au son, ce que les photons sont à la lumière! Par définition, le pho
ton est la plus petite unité d'énergie que peut posséder un mode de vibration lumineuse, tandis que le phonon est la plus petite quantité d'énergie que peut posséder un mode de vibration cristalline (vibration des atomes dans un solide).

Dans un cristal (un type de solide), les atomes sont placés de manière très ordonnée. Ce sont les forces inter-atomiques qui leur confèrent leur arrangement spécifique. Ces forces jouent le même rôle que les ressorts dans un système "masses-ressorts". Par conséquent, si on déplace légèrement un atome de sa position initiale et qu'on le relâche, il se mettra à osciller, comme un pendule. Étant donné que cet atome est relié aux autres par les forces électrostatiques qui agissent entre eux, les autres atomes du cristal se mettront eux aussi à vibrer, d'où le nom vibration cristalline! Il y aura alors propagation d'une onde de déformation dans le solide.

Les atomes d'un cristal forment une structure vibrante. Un courant qui circule correspond à un déplacement d'électrons. Leur propagation s'accompagnent de chocs : ils rebondissent sur différents obstacles (impuretés, défauts de structure …) et ces rebonds non élastiques s'accompagnent d'une perte d'énergie sous forme de chaleur : c'est le célèbre effet Joule !


Théorie BCS

Cette théorie est basée sur le couplage des électrons d'un métal en paire : les paires de Cooper. Elles forment un état unique, cohérent, d'énergie plus basse que celui du métal normal (électrons non appariés).

Le problème est d'expliquer cet appariement compte tenu de la répulsion coulombienne. Dans un métal, les électrons interagissent avec le réseau cristallin formé d'ions positifs. Ceux-ci attirent les électrons et se déplacent légèrement (grande inertie). Les physiciens ont donné le nom de phonons à ces vibrations atomiques naturelles. Cette interaction entre les électrons et les phonons est à l'origine de la résistivité et de la supraconductivité : attirés par le passage très rapide d'un électron (10+6 m/s), les ions se déplacent et créent une zone locale électriquement positive. Compte tenu de l'inertie, cette zone persiste alors que l'électron est passé, et peut attirer un autre électron qui se trouve ainsi, par l'intermédiaire d'un phonon, apparié au précédent. Et ce malgré la répulsion coulombienne. L'agitation thermique finit par détruire ce fragile équilibre d'où l'effet néfaste de la température.

 

 

La théorie quantique nous enseigne que les électrons dont le spin vaut + ou – 1/2, obéissent au principe d'exclusion de Pauli ; ainsi deux électrons de même spin ne peuvent occuper le même état d'énergie et il s'ensuit qu'il ne peut cohabiter que deux électrons par état d'énergie. Les états de basse énergie vont donc vite se saturer et l'énergie totale du système sera donc plus importante que si tous les électrons étaient dans le même état de plus basse énergie. La paire de Cooper permet un état d'énergie global plus faible donc plus stable. En effet, celle-ci se comporte comme un boson, c'est à dire une particule de spin entier, par opposition aux fermions de spin demi-entier comme les électrons.

Cela est important car seules les particules de spin demi-entier sont soumises au principe d'exclusion de Pauli.
La paire de Cooper en tant que boson est soumise à la condensation de Bose-Einstein, un état particulier de la matière à basse température caractérisé par la possibilité pour les bosons d'occuper en nombre illimité le même état d'énergie, le plus bas. On appelle la différence d'énergie entre le matériau supraconducteur contenant des paires de Cooper et le matériau à l'état normal, le Gap.

Comme l'agitation thermique augmente, les paires de Cooper disparaissent et le Gap diminue jusqu'à valoir zéro. On est alors à la température critique et le matériau passe dans son état normal. Les paires de Cooper ,on l'a vu, sont soumises à la condensation de Bose-Einstein. Cet état particulier a une autre propriété des plus intéressantes : les bosons soumis à cette condensation peuvent traverser un réseau sans rencontrer d'obstacles. Les paires de Cooper peuvent ainsi circuler sans rencontrer la moindre résistance d'où la supraconductivité.
 

 

 

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>> Applications des phénomènes de supraconduction

 

 
Stockage et transport d’énergie : l’idée est de créer des réseaux supraconducteurs qui ne perdent pas d’énergie par effet Joule ! L’enjeu est triple.

  • créer des lignes qui transportent des courants élevés mais à basse tension et sans perte d’énergie. Aujourd’hui les lignes de fort courant électrique sont à très hautes tensions pour limiter les pertes qui demeurent cependant importantes.

  • créer des circuits intégrés qui perdent peu d’énergie par effet Joule et donc réduire leur consommation électrique, ce qui est important pour les appareils portatifs.

  • créer des puces électroniques dont les pistes sont plus resserrées sans craindre les effets néfastes de la chaleur dégagée et ainsi augmenter considérablement le nombre de transistors et par suite les performances des processeurs actuels.


    Applications médicales : les supraconducteurs permettent de créer d’intenses champs magnétiques dans des bobines supraconductrices nécessaires aux techniques telles l’IRM (Imagerie par Résonance Magnétique) ou la RMN (Résonance Magnétique Nucléaire).


    Lévitation : sans doute l’application la plus extraordinaire !

Le train le plus rapide du monde : 552 km/h ! Le Maglev !



La lévitation mise en évidence !


En physique, la lévitation est une technique permettant de soustraire un objet à l’action de la pesanteur par l’intermédiaire de différents procédés électrostatique et électrodynamique ou encore grâce à un faisceau laser, mais également par magnétisme

La lévitation est due à l’effet Meissner que nous avons vu plus haut : un supraconducteur en dessous de sa température critique repousse les lignes de champs magnétique d’un aimant que l’on tente d’approcher grâce à des courants surfaciques qui induisent un champ opposé. Tels deux aimants que l’on essaie de rapprocher selon leur face identifque (Nord Nord ou Sud Sud), l’aimant est repoussé au dessus du supraconducteur, la force magnétique induite compensant la force de pesanteur et l’aimant lévite !


La Maglev lévite grâce à la force de répulsion existant entre les aimants supraconducteurs du véhicule et des bandes ou bobines conductrices situées dans le rail de guidage. Ces aimants sont faits d’un alliage de niobium et de titane. Chacun d’eux est maintenu à une température constante de -269°C ! Cela permet aux deux aimants de conserver leur état de supraconducteur donc de n’opposer aucune résistance au passage du courant électrique. Les aimants se présentent sous forme de bobines regroupées par quatre dans un réservoir contenant de l’hélium liquide. Ces réservoirs, abrités par des bogies, sont situés entre les wagons du Maglev.
Pesant chacun 1,5 tonne, ils créent sous le train un champ magnétique de 4.23 Tesla, soit un force de lévitation de 98 kilonewton ! 

 

 

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