a. Principale application : les trains à lévitation magnétique
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ESEO P1 La Lévitation Magnétique Plan de l’Etude Introduction I. La lévitation via aimants permanents et électroaimants a. Le magnétisme i. Le paramagnétisme ii. Le ferromagnétisme iii. Le ferrimagnétisme iv. Le diamagnétisme b. Aimants permanents c. Electroaimants i. La lévitation via électroaimants ii. Notre réalisation II. Supraconductivité et lévitation via supraconducteurs a. La supraconductivité i. L’origine de la supraconductivité ii. Supraconducteurs et effet Meissner b. Lien entre la supraconductivité et la lévitation magnétique III. Applications a. Principale application : les trains à lévitation magnétique i. Le fonctionnement des trains à lévitation magnétique 1. Le MAGLEV japonais 2. Le TRANSRAPID allemand ii. Les avantages du train à lévitation magnétique iii. Ses inconvénients b. Autres applications et projets Conclusion Bibliographie - Page 1 sur 18 - TIPE ESEO P1 La Lévitation Magnétique TIPE Introduction La lévitation magnétique est très en vogue en ce moment du fait des nombreux projets qui existent. Ainsi, grâce à des aimants permanents, des électroaimants ou bien encore des supraconducteurs les inventions ne manquent pas ce qui en fait un sujet intéressant. Dans ce dossier nous allons essayer d’aborder toutes les formes de lévitation qui existent et d’en expliquer leur fonctionnement. C’est pourquoi nous étudierons d’abord les aimants permanents. Puis grâce à une réalisation nous expliquerons le fonctionnement des électroaimants. Ensuite nous étudierons les supraconducteurs pour finir avec les projets et applications en cours mettant en avant le phénomène de la lévitation magnétique. - Page 2 sur 18 - ESEO P1 I. La Lévitation Magnétique TIPE La lévitation via aimants permanents et électroaimants a. Le magnétisme Il existe 3 types de magnétismes : le paramagnétisme, le ferromagnétisme, et le ferrimagnétisme. i. Le paramagnétisme Dans les matériaux paramagnétiques, il existe des moments magnétiques permanents, et lorsqu'un champ magnétique extérieur est appliqué, les divers moments magnétiques présents dans l'atome (spin, moment orbital) s'alignent dans la direction du champ. La susceptibilité magnétique est donc positive : il y a aimantation. Cependant, en l'absence d'un champ extérieur, alors même qu'il existe dans l'échantillon métallique des moments magnétiques élémentaires, l'échantillon n'a pas de moment macroscopique global car, les moments élémentaires étant orientés au hasard, le moment résultant est nul. ii. Le ferromagnétisme Dans les corps ferromagnétiques, les moments magnétiques sont déjà ordonnés : ils sont parallèles entre eux sous l'effet d'un champ interne au métal appelé champ moléculaire de Weiss. Ici, l'aimantation est présente même sans un champ excitateur. Cependant, lorsque la température s'élève, l'agitation thermique compense de plus en plus l'effet du champ de Weiss, les moments magnétiques se désordonnent et, au-dessus d'une température critique Tc, la température de Curie, le métal devient paramagnétique avec une susceptibilité magnétique qui décroît avec la température. iii. Le ferrimagnétisme Les ferrimagnétiques sont des matériaux dans lesquels les domaines magnétiques sont subdivisés en région qui peuvent être alignés dans le sens opposé les uns aux autres, mais dont le moment magnétique n'est pas nul lorsque le champ extérieur est nul. Les corps ferrimagnétiques représentés par les ferrites, famille d'oxydes de fer particuliers, ont des propriétés similaires aux substances ferromagnétiques : ils possèdent une aimantation résultante non nulle en l'absence de champ magnétique extérieur et sont donc considérés comme des aimants. Contrairement aux matériaux ferromagnétiques, les corps ferrimagnétiques sont des isolants électriques, ce qui les rend très intéressants dans l'industrie, notamment en radioélectricité. La magnétite, qui sert notamment à fabriquer les aimants permanents, fait partie des substances ferrimagnétiques. - Page 3 sur 18 - ESEO P1 La Lévitation Magnétique iv. TIPE Le diamagnétisme Le diamagnétisme est un comportement de la matière lorsque celle-ci se trouve dans un champ magnétique. En effet ce dernier agit sur le mouvement électronique de la matière qui diminue le champ magnétique provoqué. Cependant, cette diminution est très faible et apparaît dans tous les matériaux hormis les supraconducteurs. Cependant, ce phénomène est caché par d’autres effets (paramagnétisme, ferromagnétisme). Les supraconducteurs sont dits diamagnétiques parfaits car ils offrent une grande résistance au passage du champ magnétique. Ainsi les lignes de champ H sont déviées. Ceci est appelé la lévitation des supraconducteurs. Comportement d'un matériau diamagnétique placé dans un champ magnétique - Page 4 sur 18 - ESEO P1 La Lévitation Magnétique TIPE b. Aimants permanents Les aimants permanents et les électroaimants sont certainement les outils les plus simples à utiliser pour étudier le phénomène de lévitation magnétique. L´aimant crée autour de lui un champ magnétique grâce à ses deux pôles. Tout aimant cherche toujours à s´orienter dans le sens de ce champ. Un aimant possède des lignes de champs obliques. Tout objet étant attiré le sera selon ce champ. Une des expériences qui permettent de caractériser ce champ est celle de la limaille de fer : on pose un aimant au milieu de limailles de fer éparpillées et il se dessine alors ce qu'on appelle les lignes de champ ou lignes de force. En fait, le champ magnétique créé par l'aimant transforme chaque grain de limaille de fer en de petits aimants qui s'alignent naturellement selon le champ magnétique. (cf. photo cicontre) Nous savons qu´en opposant deux aimants de même pôle, il se repousse. Et bien une lévitation magnétique avec des aimants permanents est aussi simple que cela ! Pourtant, il est impossible de faire léviter complètement un aimant permanent au-dessus d´un autre et pour cause : lorsque deux aimants se repoussent et tant que l´on ne les lâche pas, aucun problème ne survient, mais quand on laisse les aimants s´échapper, l´aimant en suspension se retourne pour aller se coller contre l´autre, résultant d´une attirance entre les pôles sud et nord des deux aimants. Mais il est tout de même possible de faire léviter un objet avec des aimants fixes. L´exemple le plus flagrant est celui du LEVITRON : il s´agit d´une toupie aimantée qui est en rotation et en lévitation au-dessus d´une base aimantée. Ce mode de lévitation n’est possible que si on le contrôle totalement. - Page 5 sur 18 - ESEO P1 La Lévitation Magnétique TIPE c. Electroaimants i. Cas général Les électroaimants possèdent un champ magnétique qui obtenu différemment de celui des aimants. En fait, ce champ est obtenu en faisant circuler un courant dans l’électroaimant, de manière semblable à une bobine. Comme les aimants, un électroaimant possède donc des lignes de champ. Elles sont similaires à celles des aimants permanents. La lévitation via électroaimants est obtenue, en opposant deux puissants électroaimants de champ magnétique contraires. On obtient bien une lévitation très nette, mais il reste toujours un problème de stabilité. Il est donc ici également nécessaire de contrôler cette lévitation. Pourtant, ce système est tout de même utilisé, et l´on ne peut que citer l´exemple du train à lévitation magnétique allemand, le Transrapid, qui fonctionne grâce à ce même principe. ii. En pratique En pratique, il n’est pas très difficile de réaliser une lévitation magnétique à l’aide d’électroaimants. En effet, un exemple simple est cette petite réalisation, qui nous a été prêtée par Mr Genet, et qui permet de faire léviter des objets de tailles raisonnables et possédant les quelques propriétés requises. En quelques mots, l’électroaimant utilisé attire l’objet en question jusqu’à ce que ce dernier obscurcisse la photo résistance, qui coupe alors l’alimentation de l’électroaimant, l’objet retombe alors, réactivant ainsi l’alimentation électrique, qui attire de nouveau l’objet, et ainsi de suite…. Le fonctionnement sera abordé plus en détail lors de la présentation orale du dossier. - Page 6 sur 18 - ESEO P1 II. La Lévitation Magnétique TIPE Supraconductivité et lévitation via supraconducteurs a. La supraconductivité i. L’origine de la supraconductivité Au début du XXe siècle, les scientifiques accumulèrent les découvertes concernant les différents éléments chimiques nous entourant. L’une de leurs questions fut de savoir ce que devenait la résistance électrique lorsque l’on se rapproche du zéro absolu. En fait, il s’agit de vérifier si la loi d’Ohm s’applique encore dans ces conditions. Un exemple de recherches effectuées par les scientifiques est la liquéfaction du mercure, réalisée par le hollandais Kamerlingh Onnes en 1911, en abaissant jusqu’à 4 K la température de ce dernier. Il en étudia ensuite la résistance électrique dans cet environnement et remarqua qu’elle chutait subitement et devenait quasi nulle. Cette expérience lui valut le prix Nobel de physique en 1913. Ces résultats étonnants ne pouvant laisser indifférent tout physicien de l’époque, nombreux sont ceux qui se lancèrent alors dans l’approfondissement de cette découverte. C’est dans ce contexte que s’est développée l’étude du comportement des matériaux à basse température dans le milieu scientifique, pour conduire ensuite à la découverte de la supraconductivité. - Page 7 sur 18 - ESEO P1 La Lévitation Magnétique TIPE ii. Supraconducteurs et effet Meissner Un matériau dit « supraconducteur » est caractérisé par deux principales propriétés : Une résistance nulle ou quasi nulle Un diamagnétisme parfait L'augmentation de champ magnétique externe H génère un courant dans le supraconducteur, qui à son tour génère une induction magnétique qui s'oppose au champ appliqué, appelé moment diamagnétique. Le diamagnétisme correspond à une susceptibilité magnétique négative ou nulle. Expérimentalement, cela se traduit par une déviation des lignes de champs magnétiques créées auxquelles est soumis le matériau. Ces lignes sont donc partiellement rejetées à l’extérieur du matériau, voire même dans certains cas entièrement déviées, c’est le diamagnétisme parfait. Les matériaux supraconducteurs sont divers, et il convient de le classer selon leurs courant critique Ic et champ critique Hc, limite au-delà desquelles le matériau retrouve son état normal. Si l’on trace les courbes d’induction H en fonction de la température des supraconducteurs, on remarque qu’elles ont des allures différentes selon leur nature, ce qui permet donc de les classer en deux types. - Page 8 sur 18 - ESEO P1 La Lévitation Magnétique TIPE Supraconducteurs de type I Ils ne possèdent qu'un seul champ critique Hc, et leur diamagnétisme est presque parfait. Le courant critique est celui qui crée le champ Hc, s'ajoutant au champ magnétique extérieur. Dans ces matériaux la répartition du courant n'est pas homogène. Le courant circule uniquement en surface. 2 états possible : état normal et état supraconducteur avec effet Meissner Supraconducteurs de type II Ces supraconducteurs possèdent deux champs critiques Hc1 et Hc2, le second étant nettement plus élevé que le premier. Légende : N : Etat normal SC : Etat supraconducteur (résistivité nulle) M : Effet Meissner H : induction T : température Trois zones sont à considérer : 1) Au-delà de Tc et de Hc2 comportement normal 2) En dessous de Tc et entre Hc1 et Hc2 supraconducteur 3) En dessous de Tc et Hc1 supraconducteur de type I - Page 9 sur 18 - ESEO P1 La Lévitation Magnétique TIPE b. Lien entre supraconductivité et lévitation Aux températures ordinaires, les métaux ont une certaine résistance au flux des électrons, due à la vibration des atomes. Mais, à mesure que la température diminue, ces atomes vibrent de moins en moins et la résistance baisse lentement jusqu'à la température critique où la résistance tombe à zéro. Le lien avec le champ magnétique : l´effet Meissner ; lorsqu´on applique un champ magnétique à une substance supraconductrice à une température T supérieure à la température critique Tc, les lignes d´induction pénètrent dans l´échantillon. Le champ induit par un supraconducteur par effet Meissner repousse la source du champ appliqué, et va par conséquent repousser l´aimant associé à ce champ. Cela implique que si un aimant est placé au-dessus d´un supraconducteur, quand le supraconducteur est au-dessus de sa température critique, et qu´on refroidit ce dernier en dessous de la température critique Tc, le supraconducteur va alors repousser le champ magnétique de l´aimant. L´aimant lui-même est alors repoussé et lévite au-dessus du supraconducteur. Pour que cette expérience soit une réussite, la force de répulsion doit être supérieure au poids de l´aimant. Remarquons que l´aimant qui lévite reste au-dessus du supraconducteur. Cet équilibre est une manifestation du "flux pinning" : certaines lignes de champ de l'aimant ont pénétré le supraconducteur et le « retiennent ». - Page 10 sur 18 - ESEO P1 La Lévitation Magnétique TIPE III. Applications a. Principale application : les trains à lévitation magnétique Grâce à ses nombreuses possibilités d’exploitation, la sustentation magnétique est un phénomène auxquelles s’intéressent de nombreuses entreprises dans l’élaboration de nouvelles technologies. L’une de ses principales applications est son utilisation dans la création des trains à lévitation magnétique. i. Le fonctionnement des trains à lévitations magnétique Il existe plusieurs projets de trains à lévitation magnétique dont les deux principaux sont le Maglev japonais, et le Transrapid allemand. Bien qu’ayant des fonctionnements distincts, tout deux se basent sur l’utilisation du magnétisme et de la supraconductivité comme principe de sustentation et de propulsion. 1. Le MAGLEV JAPONAIS Pour le fonctionnement de leur prototype, les japonais ont optés pour les techniques de sustentation magnétique et de répulsion électrodynamique. Le premier principe consiste à équiper le train de deux électroaimants, qui s’enroulent autour du rail de guidage du train. Ces électroaimants interagissent alors avec des barres de fer laminées placées dans le rail de guidage. Cette action soulève le train de 1 centimètre au-dessus de la voie. Un problème majeur est le manque de stabilité de cette solution : il faut constamment surveiller la distance, entre les électroaimants et le rail de guidage, qui est ajustée par ordinateur, afin d’éviter tout risque de collision avec le rail. Le second principe utilise 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 Teslas, soit une force de lévitation de 98 kN. - Page 11 sur 18 - ESEO P1 La Lévitation Magnétique TIPE Le Maglev circule sur un rail en forme de " U " équipé de trois couches de bobines alimentées en électricité par des sous-stations fixées le long de la ligne. o o La première couche assure la lévitation Les deux autres couches assurent la propulsion A l’intérieur des bobines passe un courant induit qui leurs permet de fonctionner en électroaimants. Au passage du train, ils créent un système de forces d’attraction et de répulsion permettant au train non seulement d’avancer, mais également de rester exactement maintenu au centre du rail de guidage et cela à plus de 10 cm de hauteur. En fait, la propulsion est assurée par un moteur linéaire à stator long synchrone qui génère des forces longitudinales. Ce moteur comprend des bobinages triphasés disposés sur la voie et des électroaimants installés sur le véhicule. Déplacement du wagon vers la gauche La vitesse du train varie en fonction du courant alternatif qui est envoyé dans les bobinages de la voie. Mais pour ce système, un problème subsiste : en dessous de 100 km/h, la fréquence du courant d’alimentation est abaissée. La lévitation n’est alors plus possible. Le train roule alors sur des pneus. Les japonais ont privilégiés la répulsion électrodynamique à la sustentation magnétique grâce à sa stabilité. - Page 12 sur 18 - ESEO P1 La Lévitation Magnétique TIPE 2. Le TRANSRAPID allemand Le projet du train à lévitation magnétique en Allemagne a déjà une trentaine d’années. Actuellement en cours de développement, son fonctionnement diffère légèrement de celui du Maglev. Le Transrapid, dont le châssis enserre la voie, utilise une sustentation électromagnétique (EMS). Il est en suspension sous l’effet de forces attractives engendrées par les bobinages de la voie. Au lieu de matériaux supraconducteurs, les véhicules sont équipés d’électro-aimants classiques. Le centre d’essais situé à la frontière hollandaise. Ils n’autorisent pas plus de 2 cm entre la voie et le véhicule. Pour s’assurer un maximum de stabilité, le Transrapid circule sur une voie en T qu’il enserre étroitement. En 2005, le Transrapid reliera Berlin et Hambourg, deux villes distantes de 285 km, en 53 minutes avec des pointes de vitesses à 450 km/h. Chaque train emportera jusqu’à 500 passagers pour un départ toutes les dix minutes. Le Transrapid sur son rail. - Page 13 sur 18 - ESEO P1 La Lévitation Magnétique TIPE ii. Les avantages du train à lévitation magnétique Le MAGLEV japonais Outre son côté spectaculaire, la lévitation magnétique présente plusieurs avantages. D'abord, le Maglev est beaucoup plus silencieux que les trains sur rail comme le TGV français ou le Shinkansen japonais, qui dégagent entre 70 et 80 décibels. Le Maglev est aussi beaucoup plus rapide. Pour rester sécuritaires, les trains sur rails conventionnels sont limités à une vitesse d'environ 300 km/heure. Dès 1979, un prototype du Maglev franchissait les 500 km/h et en décembre 97, le train filait sans problèmes à 550 km/h sur la ligne expérimentale entre Otsuki et Tsuru. Les Japonais ont aussi été séduits par l'idée qu'un train à lévitation magnétique serait plus sécuritaire en cas de tremblement de terre. C'est d'ailleurs par hantise des séismes que les Japonais insistent pour faire flotter leur Maglev à 10 cm au-dessus du sol, malgré le défi technique que cela entraîne. L'alimentation électrique et le freinage constituent encore les points faibles du Maglev pour sa commercialisation, mais la mise au point progresse. La ligne Osaka-Tokyo étant très fréquentée (112 000 passagers par jour), le succès du Maglev est pratiquement assuré. Les Japonais ont déjà investi plus de 13 milliards de dollars dans le Maglev et, crise économique ou pas, ce n'est pas un projet qu'on songe à abandonner. Une fois en place, le train volant devrait transporter 10 000 passagers à l'heure dans chaque direction. Le TRANSRAPID allemand Le Transrapid est un projet allemand dont l’origine remonte au début des années 70. Le ministère fédéral de la recherche et de la technologie, soucieuse de trouver des modes de transports publics moins lourds pour les finances que les modes classiques et plus doux pour l’environnement, avait lancé un programme de recherche sur les trains rapides. Après évaluation des diverses options, le ministère retint en 1977 la technologie du train à sustentation magnétique, d’où naquit le projet de Transrapid. Le Transrapid, d’après SIEMENS, consommerait 30 % d’énergie en moins qu’un TGV capable de rouler aux même vitesses. Sa signature sonore à 450 km/h ne serait pas plus élevée que celle d’un TGV circulant à 300 km/h. Le Transrapid est donc : Plus rapide. Plus économique financièrement, à l’exploitation (la construction est certes beaucoup plus coûteuse que celle d’un train classique). Plus écologique. Relativement peu bruyant. - Page 14 sur 18 - ESEO P1 La Lévitation Magnétique TIPE iii. Ses inconvénients Bien qu’offrant de nombreuses possibilités, les trains à lévitation magnétique ont aussi leurs limites. En effet, bien qu’étant très économiques en phase d’exploitation, leur développement et leur construction n’en restent pas moins très coûteux, puisque ce sont des budgets qui se chiffrent en milliards d’euros. Cette technologie n’est donc pas accessible à tout pays. D’autre part, son utilisation doit répondre à un besoin effectif, or elle ne serait réellement avantageuse que pour certains pays comme les Etats-Unis, pour lesquelles la distance d’un bout du pays à l’autre peut poser problème, et le Maglev serait alors une bonne alternative à l’avion. b. Autres applications et projets i. Principal projet : Le SWISSMETRO Le Swissmetro est un projet de train à lévitation magnétique souterrain. En effet, il est conçu pour pouvoir convoyer des personnes, dans un confort absolu et sans bruit, dans une région très habitée ou les constructions en surface sont très coûteuses. Le projet principal est de relier Lausanne à Genève en passant par l’endroit présentant la plus grande densité de population en Europe. Le principe de ce train est de se déplacer dans un conduit dans le quel le vide aurait était fait auparavant permettant ainsi d’atteindre des vitesses phénoménales et dans le silence le plus complet, grâce à la lévitation magnétique Les avantages du Swissmetro - confort total des passagers vitesse exceptionnelle peu de chocs et de mouvements brutaux extrêmement silencieux énergie propre Les inconvénients du Swissmetro - construire le souterrain : défi technologique faire le vide du conduit souterrain : second défi technologique très coûteux - Page 15 sur 18 - ESEO P1 La Lévitation Magnétique TIPE ii. Le Maglev en Angleterre De manière à contrecarrer les manques du transport aérien, qui est saturé en GrandeBretagne, un projet de Maglev a été émis par le gouvernement de Tony Blair. Ce train à lévitation magnétique aurait pour but de relier Londres à Glasgow à une vitesse de 500 Km/h. Avec un coup de 15 milliards d’euros le train de la compagnie Transrapid pourrait donc passer outre-manche après être allé se tester en Chine. Ce projet permettrait de désengorger le transport aérien déjà saturé. De plus il utilise une énergie propre et ne nécessite pas de grand frais d’entretien. C’est pourquoi ce projet pourrait être réalisé dans peu de temps puisque les autorités anglaises ont déjà engagé les négociations avec la société Transrapid. - Page 16 sur 18 - ESEO P1 La Lévitation Magnétique TIPE Conclusion A travers ce dossier nous avons pu voir toutes les formes de lévitation magnétiques qui existent. Ceci nous a permis de nous faire la différence entre aimants permanents et électroaimants mais également de comprendre comment fonctionnent les supraconducteurs. Enfin ce projet nous a permis de nous renseigner sur les différents projets, à la pointe de la technologie en matière de lévitation magnétique, qui existent. Nous tenons à remercier Mr Genêt pour le prêt de sa réalisation mais également Mr Tourret et Mr Curilla pour leur soutien et leurs remarques pertinentes. - Page 17 sur 18 - ESEO P1 La Lévitation Magnétique Bibliographie Supraconductivité, lévitation magnétique : Encyclopédie Bordas, éd. Bordas, 1996 Fichier PDF : Rapport de CERPEMA de Sherbrooke, Canada Thèse de Guillaume de Tilière, ingénieur Génie Civil, diplômé EPFL Sites Web : www.lema.phys.univ-tours.fr/Materiaux/Supra www.epfl.ch\studinfo\courses\cours_supra\introduction\default.htm www.futura-sciences.com\comprendre\d\dossier103-1.html http://www.cours.polymtl.ca/glq3201/Magnetisme/node26.html http://fr.wikipedia.org/wiki/Diamagn%C3%A9tisme Trains à lévitation magnétique : Encyclopédie Bordas, éd. Bordas, 1996 Sites Web : www.maglev2002.ch\index.html www.swissmetro.com\index.html http://www.transrapid.de/ - Page 18 sur 18 - TIPE
