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Les Matériaux supraconducteurs
Bruno Douine Laboratoire GREEN
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I) Courant électrique dans les métaux
1) La densité de courant électrique J
a)Aspect microscopique du courant électrique
Dans les fils métalliques le courant électrique =
déplacement d’électrons
Au niveau microscopique, U => E
E => les électrons se déplacent vers le potentiel le plus élevé.
E
v
e
Sens du
courant I
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b) Relation entre I et J
densité de courant J = courant électrique par unité de
surface :
I = ∫∫ J.ds
S
direction de J = direction de E
En continu I=J.S
J
E
Sens du
courant I
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1) La densité de courant électrique J
c) La Vitesse de dérive
les électrons ont une vitesse constante vd appelé vitesse de
dérive.
L’interaction entre l’électron et le réseau d’atomes déforme
le réseau => échauffement du matériau.
v
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1) La densité de courant électrique J
d) Rapport entre vd et J
I = n q vd S= ρc vd S
La densité de courant J est donc égale à
I
J = = n.q.v d = ρ c .v d
S
Sous forme vectorielle :
r
r
r
J = − n.q.v d = −ρc .v d
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1) La densité de courant électrique J
e) Résistivité
La densité de courant J est proportionnelle à E et liée à une
propriété du matériau qui est la conductivité σ ou son inverse
la résistivité ρ avec :
r
r E
r
J = = σ.E
ρ
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2)Résistance d’un conducteur
a) Résistance et Résistivité
La résistance d’un conducteur augmente avec sa longueur L
et diminue avec sa section S et proportionnelle à la résistivité:
L
R =ρ
S
Matériau
Résistivité(Ω.m) (T=20°C)
Argent
1,6. 10-8
Cuivre
1,7. 10-8
Fer
9,7. 10-8
Graphite
10-5
Verre
1012
Caoutchouc
1015
La résistivité des conducteurs dépend de la température ρ(T).
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2)Résistance d’un conducteur
b) Coefficient α (C.T.R.)
Coefficient de température α de la résistivité (C.T.R.):
α(T ) =
1 ∂R (T )
1 ∂ρ(T )
=
R (T ) ∂T
ρ(T ) ∂T
En K-1 ou C-1
Varie avec la température et dépend de la nature du matériau
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2)Résistance d’un conducteur
b) Coefficient α (C.T.R.)
Pour une plage de température, ρ(T) fonction linéaire et α
constant:
ρ(T ) = ρ 0 (1 + αT )
T en deg ré Celsius
ρ0 est la résistivité à 0°C
α100
0
R 100 − R 0
=
100.R 0
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2)Résistance d’un conducteur
Matériau
CTR(K-1) (T=273°K=0°C)
Platine
4.10-3
Cuivre
4.10-3
Nickel
5.10-3
Silicium
7.10-3
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2)Résistance d’un conducteur
c) Règle de Matthiessen
La résistivité ρ(T) d’un matériau conducteur « classique » peut
s’exprimer sous la forme:
ρ( T ) = ρ z + ρ T ( T )
ρZ est la résistivité au zéro absolu (0°K)
ρ T (T ) = 0 à T = 0°K
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2)Résistance d’un conducteur
Les métaux « normaux » ont une résistivité résiduelle à très
faible température
ρ
Métal « classique »
ρZ
T(K)
0
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II. La supraconductivité
1. Propriétés générales
a) Résistance nulle
La résistivité des supraconducteurs tombe à zéro en dessous
d’une température critique TC
ρ
Métal normal
TC
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supraconducteur
T
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Résistance électrique nulle pour T<TC
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Dans un matériau qui est à l’état supraconducteur les
électrons se déplacent par paires (de Cooper) sans subir
l’effet de la présence des atomes positifs
=> pas de puissance dissipée => résistance nulle.
Le réseau d’atome est comme « gelé » et les atomes se
déplacent « lentement »
En se replaçant les atomes attirent le deuxième électron
v
v
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II. La supraconductivité
1. Propriétés générales
b) Diamagnétisme parfait
T>TC
T < TC
Diamagnétisme
Effet Meisner
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Lévitation
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2. Grandeurs critiques
Cet état n’existe que si trois grandeurs sont en dessous
de valeurs critiques dans le matériau, la température TC ,
le champ magnétique BC et la densité de courant JC.
Au-delà de ces valeurs les matériaux redeviennent soit
des simples conducteurs soit des isolants.
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2. Grandeurs critiques
a) Température critique
Tc< 25K pour les matériaux à basse température
critique (BTC)
Tc< 120 K pour les supraconducteurs à haute
température critique (HTC).
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2. Grandeurs critiques
b) Champs magnétiques critiques
B
B
Pente
µ0
χ=-1
Hc
χ=-1
H
Type 1
H c1
H c2 H
Type 2
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• Supraconducteur de type I (ou de première espèce)
• Un seul champ critique HC (µoHC<10 mT)
• Supraconducteur de type II (ou de deuxième espèce)
deux champs critiques
• Hc1 (µo Hc1 <10 mT)
• Hc2 (µo Hc2 <plusieurs T)
Ceux-ci constituent la quasi-totalité des supraconducteurs utilisés
• Entre Hc1 et Hc2
Pénétration partielle du champ magnétique
• Apparition de « vortex »
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Vortex : autour du vortex circulent des supra-courants de
densité de courant JS
Zone normale
2ξ
H
Induction
λL
Supra-courants
x
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Augmentation de B entre HC1 et HC2 dans un cylindre
supraconducteur de type 2 «parfait »
Supra-courants
H
vortex
Bµ =0
H1§HC1
HC1<H2<HC2
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H2<H3<HC2
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2. Grandeurs critiques
c) Densité de courant critique
Pour rester supraconducteur, J ≤ JC.
JC dépend de B et de la température T..
JC est liée au phénomène d’ancrage des vortex
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JC
JC
B
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T
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Déplacement des vortex dans un matériau supraconducteur
« parfait » parcouru par une courant de transport
perpendiculaire à la direction des vortex
Zone de faible champ magnétique
H
vortex
J
Zone de fort champ magnétique
• Déplacement des vortex
Transition
Dissipation d’énergie
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• Si les vortex sont libres, la présence d’un courant provoque
la transition et donc JC = 0
• La solution est l’ancrage des vortex
• Ce phénomène est naturelle (défauts cristallins) mais pour
augmenter JC on augmente le nombre des défauts
Trauble and Essmann 1967
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Augmentation de B entre HC1 et HC2 dans un cylindre
supraconducteur de type 2 avec sites de piégeages
H
Bµ =0
H1§HC1
Supra-courants
vortex
Courant volumique
B=0
HC1<H2<HP
H3 =HP
H3<H4<HC2
La densité de courant critique JC est celle des courants
volumiques :
JC<JS
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E
Etat normal
Modèle de Bean
Force de Lorentz
> Force d’ancrage
Vortex ancrés
J
JC
Caractéristique champ électrique/densité de
courant d’un matériau supraconducteur à très
basse température
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E=ρJ
Modèle de Bean : E
J=JC " E
JC
J
Utilisé pour le calcul analytique de la distribution
de E, J et B dans un matériau supraconducteur
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E
Flux creep
Flux flow
J
JC
Caractéristique champ électrique/densité de
courant d’un matériau supraconducteur à « haute
température » Bruno Douine Laboratoire GREEN
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2. Grandeurs critiques
d) Surface critique
• Paramètres critiques
• Bc : Champ critique
• Jc : densité de courant critique
• Tc Température critique
• qq mT<Bc <100T
• Jc<qq kA/mm2
• 9 K <Tc <112 K
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III. Matériaux supraconducteurs dans les applications
électrotechniques
1. Les supraconducteurs à basse température critique BTC
Matériau
TC (K)
µ 0HC2 (T)
à 4,2K
JC à 4,2K et 5T
(kA/mm²)
Nb3Sn
18
22
15
NbTi
9
12
4
•Même si le Nb3Sn a de meilleures valeurs critiques que le NbTi,
c'est ce dernier qui est nettement plus facile à utiliser et à
produire en grande quantité.
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•Pour pouvoir transporter du courant électrique, les conducteurs
supraconducteurs doivent avoir des pertes réduites
composites multi filamentaire torsadés. (courant continu ∅ =
micromètre; courant alternatif ∅ < micromètre)
•La fabrication de ces conducteurs demandent donc des
techniques complexes de métallurgie mais aussi de traitement
thermique.
•Cependant ils demeurent les seules câbles supraconducteurs
pour des applications industrielles.
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35
Fabrication des Supraconducteurs B Tc
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Structure d’un Fil BTc
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Photo de Fils BTc 50 Hz
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III. Matériaux supraconducteurs dans les applications
électrotechniques
2. Les supraconducteurs à haute température critique HTC
-céramiques
-nature fortement anisotrope (fort courant suivant ab,
faible courant suivant c)
Y
a
Plans de CuO
c
b
Ba
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Matériau
TC (K)
µ 0HC2 (T)
à 77K
YBa2Cu2O7
92
70 //
6┴
Bi2Sr2Ca2Cu3O10
110
5//
3┴
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Grains supraconducteurs
JCe
JCa
Courants intragrain et intergrain.
J Ce << J Ca
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-Supraconducteurs massifs :
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- Câbles supraconducteurs HTC : ruban
prix élevé
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Ruban Multifilamentaire BiSrCaCuO
• Tube d’argent rempli par
le précurseur.
• Extrusion et alignement
des cristaux.
• Empilement dans un tube
de taille supérieur.
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Ruban Multifilamentaire BiSrCaCuO
•
•
•
•
Extrusion
Alignement des cristaux
Formation d’un ruban
Traitement thermique
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Photo d’un ruban BiSrCaCuO
Caractéristiques générales
– Longueur >1000 m
– Taille qq mm*0.1 mm
– Jc ~300A/mm2 à 77K et 0 T
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Conducteur déposé YBaCuO
‘Coated conductors’
• Ruban de Nickel (Ni-W)
• Couche tampon d’oxyde, pour préserver la
texturation du matériau
• YBCO , Préservation de la structure
• Cristal d’une centaine de mètre de long
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Exemple de structure de
YBaCuO déposé
Caractéristiques générales
– Longueur ~100m
– Epaisseur YBCO < µm
– Jc >10 kA/mm2 à 77K et 0 T
Sumitomo YBCO-CC
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Processus de fabrication des conducteurs
YBaCuO
Ruban de Nickel
Déposition de la couche
tampon d’oxyde
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Dépôt du précurseur YBaCuO
Oxygénation de l’YBaCuO
Supraconducteur
Découpe et mise sous forme de ruban
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Coût des matériaux supraconducteurs
• Supraconducteur à Haute température critique
• BiSCaCuO
– 200 €/kA/m à 0T et 77K
– 150 €/kA/m à 25T et 4K
• YBaCuO
Pas de prix commercial
• Supraconducteur à Basse température critique
• NbTi
– 4-6 €/kA/m à 8 T et 4.2 K
• Nb3Sn
– 15-30 €/kA/m à 12T et 4.2 K
– 75-150 €/kA/m à 21T et 2 K
Equivalence
– 0T à 77 K
– 12 T à 4 K
– 7 T à 20 K
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Processus PIT pour la fabrication de fil MgB2
B
Mg
+
MgB2
IN-SITU
EX-SITU
Remplissage du tube
extrusion
Traitement thermique
IN-SITU
700°C
EX-SITU
Traitement thermique
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Ruban final
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Processus HyperTech CTFF pour la fabrication de fil MgB2
Fabrication en continu
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53
Photo de Fils MgB2
Hyper Tech Research
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3) Applications
Bobines d’IRM
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les bobines d’accélérateur de particules (CERN),
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II)Résistance d’un conducteur
4) Les supraconducteurs
les bobines d’accélérateur de particules (CERN),
Large Hadron Collider
Large Hadron Collider.
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57
les bobines pour la fusion (ITER),
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58
des transformateurs
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59
des moteurs électriques (Navy).
American Superconductor's SuperMachines™ Business Unit
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