Rapport Suppra
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ABOUT Adel COHEN Eliel ?? Vidjay HAMAMDA Mehdi Licence L3. Physique Fondamentale. Université Pierre et Marie Curie. Projet de laboratoire : Sujet: Supraconductivité dans l’hélium liquide( ??le titre complet du sujet ?). Le groupe souhaiterais témoigner tout sa gratitude à Monsieur le professeur PATRICE MATHIEU pour lui avoir accordé la chance de prendre en main ce sujet qui avait déjà attiré l’intérêt de ses membres avant même de commencer à travailler dessus. En second lieu, nous remercions Monsieur Laurent ( ??) pour nous avoir non seulement apporté toute l’aide logistique dont nous avions besoin, mais aussi pour toute l’attention dont il a fait preuve. Enfin, un grand merci à toute l’équipe supervisant le projet de laboratoire de la licence de Physique Fondamentale de l’ UPMC. Le groupe SOMMAIRE : I. HISTORIQUE DE LA SUPRACONDUCTIVITE Avant 1986. Après 1986. II. BUTS ET OBJECTIFS DE LA MANIPULATION III. NOTIONS THEORIQUES DEVELOPPANT LE THEME DE LA SUPRACONDUCTIVITE Adel !! IV. PARTIE EXPERIMENTALE: A- Travail préliminaire : Détermination des prises BNC Estimation de la self-inductance de la bobine Mesure à température ambiante Utilisation de la Résistance Allen Bradley RAB B- Expérience historique : Etude de la résistance du supraconducteur en fonction de la température Etude de la self-induction de la bobine entourant le supraconducteur en fonction de la température C- Champ extérieur et vortex : D- Champ transversal : V. CONCLUSION : A- Applications de la supraconductivité: B- Bilan du groupe. I- Historique: Aujourd'hui de nombreux laboratoires travaillent de par le monde sur les supraconducteurs. Les enjeux de la supraconductivité sont nombreux, nous en traiterons quelques uns à la fin du rapport. Cette recherche, florissante dès les premières années de la connaissance de ce phénomène, a connu plusieurs périodes correspondant aux divers axes de recherche, dont on peut dégager deux étapes cruciales : avant et après 1986. L’année 1986 est une année charnière de l'étude des supraconducteurs. Cette année-là on battit le record de la température critique (Tc) : de 23,3 degrés Kelvin (K), on passa d'un seul coup à 34 K, puis 92 K, lançant ainsi une véritable "course aux Tc". Mais avant d'en arriver là... Avant 1986 : Tout commença en 1911 par une découverte fortuite. Gilles HOLST, un élève du laboratoire du physicien Hollandais Kamerlingh ONNES, travaillant sur l'étude de la résistivité du mercure à la température de liquéfaction de l'hélium, découvrit qu'elle s'annulait en dessous de 4,15 K. Ce même laboratoire accumulait les succès : trois années auparavant, première liquéfaction de l'hélium, atteignant alors la plus basse des températures connues : 4,2 K, c'est-à-dire -269° C. On étudia tous les éléments simples, et notamment les métaux qui se présentaient comme les meilleurs candidats. Malheureusement, on s'aperçut que tous les éléments n'étaient pas supraconducteurs, et, plus étonnant encore, que les meilleurs métaux (cuivre, or, argent) ne présentaient aucune trace de supraconductivité ! Très rapidement une liste des éléments simples supraconducteurs fut établie. L'élément simple possédant la plus haute Tc étant le niobium (avec 9,2 K), on chercha à obtenir des alliages à base de niobium. En l'absence de théorie pour ce nouveau phénomène, les chercheurs partaient à l'aventure en jonglant avec les atomes. Le tâtonnement était la règle. En travaillant avec des proportions adéquates des éléments simples supraconducteurs, les chercheurs espéraient trouver un alliage à plus haute Tc. Mais la chance ne fut pas toujours de la partie. L'échantillon obtenu pouvait soit ne pas être supraconducteur, soit l'être, mais à des températures encore plus basses que d'ordinaire (par exemple 0,7 K pour le titanate de strontium dopé au nobium !). Lorsque la chance était au rendez-vous, on atteignait la dizaine de degrés Kelvin. Malgré cela, les composés au niobium semblaient présenter des facilités à devenir supraconducteurs : parmi les composants "classiques" aux plus hautes Tc, on trouve souvent des alliages contenant cet élément. Le nitrure de niobium (NbN) avec 17,3 K et Nb3Ge avec 23,3 K (qui détint le record jusqu'en 1986) en sont de très bons exemples. Mais les recherches ne portaient pas uniquement sur cet élément miracle. Toutes les voies étaient prises en compte. On cherchait dans toutes les directions un fil conducteur qui permette de poser les bases d'une théorie. Hydrures, chaînes organiques, oxydes... tout fut étudié, les résultats n'étant pas toujours probants. Certains finissaient par croire que ce phénomène était cantonné en dessous d'une limite de température infranchissable. Une autre question restait posée : d'où provenait ce phénomène qu'aucune théorie n'avait jusqu'à présent soupçonné ? En 1935 F. LONDON, puis V. GINZBURG et L. LANDAU en 1952, proposèrent des théories assez puissantes, mais incomplètes. Une partie de la réponse fut donnée par la théorie mise au point par BARDEEN, COOPER et SCHRIEFFER. Celle-ci, plus connue sous le nom de théorie BCS, fut publiée en 1957. Près de 45 ans après la découverte du phénomène, une théorie pouvait le décrire au niveau microscopique. Cela valut à ses auteurs de recevoir le prix Nobel en 1973. Son idée de base est que les électrons (ou une partie d'entre eux) s'attirent plus qu'ils ne se repoussent naturellement et se couplent en paire. L'origine de l'attraction est un phénomène polaronique lié à la vibration des atomes (que l'on appelle un phonon). Dans les paires ainsi formées, les électrons possèdent une énergie plus faible, ainsi que des spins opposés. Cet ensemble, n'ayant plus de raisons d'interagir avec son environnement, n'est plus à l'origine d'une résistance électrique. Cette théorie guida les chercheurs dans certaines directions : l'étude des vibrations atomiques, c'est-à-dire les phonons. On arriva alors à obtenir des composés intéressants, mais dont la Tc restait toujours inférieure ou égale à 23 K. De plus la théorie prédisait une limite de température au-dessus de laquelle tout matériau perdait ses propriétés supraconductrices. Certains scientifiques se détournèrent alors du phénomène pour poursuivre des recherches dans d'autres domaines, pendant que quelques rares chercheurs s'obstinaient... Après 1986... Parmi ces chercheurs, Johannes BEDNORZ et Alex MÜLLER, finirent par découvrir un nouveau composé à base de Baryum, Lanthane, Cuivre et d'Oxygène (que l'on notera Ba-La-Cu-O), un oxyde, qui devenait supraconducteur en dessous de 34 K ! En Avril 1986, le record était battu. Mais ce n'était qu'un début : 9 mois après, Y-BaCu-O avec 92 K, puis en 1988 Tl-Sr-Ca-Cu-O avec quelques 125 K furent découverts. Le monde scientifique exultait ! La barrière de la température de liquéfaction de l'azote (77 K, -196°C) était largement dépassée. De tels résultats étaient au-delà de toute espérance quelques mois plus tôt. Une nouvelle vague de recherche frénétique s'emparait du monde scientifique. Tous les espoirs de voir un supraconducteur à température ambiante se réveillaient. De plus cette découverte remettait en cause la théorie BCS, sa limite théorique de température étant largement dépassée. Une voie nouvelle s'ouvrit alors : les oxydes supraconducteurs se révélèrent de très bons candidats avec de hautes Tc. Mais, outre la remise en question de la théorie BCS, de nouveaux problèmes se présentaient. Dans la forme céramique la plus facile à préparer, ces oxydes supraconducteurs à "haute" température critique (SHTC) voyaient leurs capacités supraconductrices bridées par un courant critique Ic décevant. Le gain en température ne se traduisait pas vraiment par un gain en performances... Aujourd'hui la "course aux Tc" s'essouffle quelque peu au profit d'un souci de compréhension des phénomènes physiques au niveau atomique. Que les matériaux soient ou non supraconducteurs. Cette nouvelle recherche conduit à de nouvelles théories qu'il est actuellement difficile de confirmer, ou d'infirmer. Le record de Tc atteint 164 K (-109°C) avec des composés au mercure sous hautes pressions, un facteur 7 a été gagné en 10 ans et on ne désespère pas d'obtenir des supraconducteurs à la température ambiante. Dans un premier lieu, le lecteur trouvera la liste des éléments simples supraconducteurs dressée aux débuts de la supraconductivité, puis un schéma représentant l’évolution des températures critiques des différents métaux jusqu'à nos jours. Fig -1- : liste des éléments simples supraconducteurs. Fig -2- : Schéma représentant l’évolution des températures critiques des différents métaux. II- Buts et objectifs de la manipulation : Avant tout il est indispensable de préciser le but de cette étude sur les métaux supraconducteurs. Le thème se décompose en deux parties. Dans la première partie nous allons nous charger de faire apparaître les propriétés du phénomène de supraconductivité notamment l’effondrement de la résistance du métal en tendant vers la température dite critique qui représente la manip historique de la découverte du phénomène de supraconductivité. Quant à la seconde, il s’agit de mettre en évidence l’existence, ou plus précisément la formation, de vortex au cœur du matériau et tenter la description sommaire de ces vortex. (À compléter au fur et à mesure). III- Notions théoriques développant le thème de la supraconductivité : ADEL !!! III- Partie expérimentale: A- Travail préliminaire : Détermination des prises BNC : Bobine Circuit ouvert Prise tension échantillon Résistance Allen Bradley Fig -2- : Schéma récapitulatif des prises BNC. Circuit ouvert Estimation de la self-inductance de la bobine : Afin d’estimer la self L de la bobine on sait que : B 0 nI nBsl N 2 0 lI LI On en déduit aisément que : L 0 N 2 S 2 I 1 Où S est la section droite de l’échantillon estimée à environs 0.5 0.5 0.25cm 2 N : Le nombre de spires de la bobine entourant l’échantillon compté à l’œil et estimé à 79 20 spires. I : Le courant envoyé dans l’échantillon définit à 0.5 A . On trouve donc une valeur de la self induction dite « théorique » : L 135 10 7 H 1.35 10 5 H .Ajouter incertitude Mesure à température ambiante : A l’origine on a : Z ( Rb R fil ) JL On se permet de négliger le résistance du fil car elle est petite devant la résistence de la bobine (pas sûr)????? . Z Rb JL d’où : Z 2 Rb2 L2 2 D’où finalement Z Rb2 L2 2 Il suffit donc d’élaborer un montage où l’on aura VBobine ZI on a alors V I Rb2 L2 2 Il suffit donc de mesurer la tension afin d’obtenir la valeur de Rb car en envoyant un tension continue, il n’y a plus de composante sinusoïdale de l’intensité. Voici donc le montage décidé !!! Insérer schéma du montage. On ajoute une résistance connue ici R 20 afin de connaître la valeur du courant qui parcours le circuit et ce en mesurant la tension aux bords de la résistance. Résultats : Afin d’obtenir des résultats corrects il ne faut pas prendre des fréquences trop grandes afin d’éviter l’effet de Pau. 10Khz : VBobine 0,8V VR 1,22V R 20 D' où 1,22 I 0,06 A 20 On déduit donc aisément Z VBobine 0,87 14,7 I 0,06 Z 2 R2 1,7 10 7 H L 2 2 4 V Bobine 20KHz 1,10V V R 1,27V D ' où I 0,063 A Z 17,5 Donc L 1,135 10 4 H 1Khz V Bobine 0,626V V R 1,22V D ' où I 0,061A Z 10,26 Donc L 3,62 10 4 H ICI on est dans la barre d’erreur ??? Phénomène supra : La mise en évidence du phénomène supra, se fait à une certaine température dite critique TC , encore inconnue, pour laquelle on a L 0 et étant donné que B L.I donc la présence de champs électrique dans le supraconducteur est impossible car B=0. Utilisation de la Résistance Allen Bradley RAB : L’expérience consiste à manipuler des températures qui atteignent 4.2 k. A une telle échelle ça serait absurde de songer à utiliser un thermomètre à mercure ou même un thermocouple. Ceci dit ,il à fallu utiliser une résistance Allen Bradley dont la caractéristique est que sa valeur augmente quand la température diminue et ceci d’une façon non linéaire avec un e loi qu’on a pu déterminer en analysant la courbe d’étalonnage . en outre ses dimensions sont très adaptées au montages ce qui permet une manipulation aisée. Le but de tout ceci est de correspondre la température (difficile à mesurer directement) à un signal électrique mesurable avec le multimètre Voici la courbe R=F (T) Fig -3- : Caractéristique de la résistance Allen Bradley R=f(T). B- Expérience historique : Etude de la résistance du supraconducteur en fonction de la température : Cette expérience semblable à celle faite par Kammerling onnes en 1911 avec du mercure consiste à introduire le montage à l’intérieur du bidon d’hélium liquide petit à petit ce qui revient à faire varier la température du dispositif. Pour chaque mesure on doit attendre que l’échantillon soit en équilibre (c’est à dire à T stable) La mesure de la résistance de supraconducteur se fait pour chaque température T et l’introduction progressive du dispositif à l’intérieure du bidon permet d’atteindre des température de plus en plus basses (jusqu’à 4.2 K), et de ce fait nous avons pu balayer un large intervalle de température T ce qui nous permet de tracer la caractéristique R=f(T) Reste à dire que ceci n’est pas si évident : la mesure directe de R donne des valeurs peu précises et parfois même aberrantes. Nous avons pu surmonter ce problème en utilisant une résistance (r=20 ohm) faisant office de pont diviseur et nous avons mesuré ainsi la résistance R (du supra) obtenue en remontant par calcul avec les mesures de V et de I nécessaires. Les résultats sont représentés sur la courbe suivante : Fig-3- : Courbe représentant la variation de la résistance de l’échantillon supraconducteur en fonction de la température,R=F(T). Analyse : A première vue La résistance diminue linéairement avec la température :rien de nouveau pour l’instant ,c’est une chose connue depuis longtemps ,mais le plus étonnant c’est aux environ de 6 k ou la résistance « s’effondre ‘ brusquement est s’annule, phénomène inexpliqué par les théories de l’électrocinétique classique .cette température caractéristique est appelée température critique Tc. Mieux encore une autre expérience nous a permis d’élucider un autre phénomène encore plus spectaculaire : Les premières observations mènent à observer la chute progressive de la résistance de l’échantillon jusqu’à une certaine température, que l’on qualifiera de « Température Critique » TC , à laquelle un effondrement spectaculaire se produit à la suite duquel la résistance de l’échantillon s’annule totalement quelque soit les méthodes de mesure. La température critique liée à l’effondrement de la résistance de l’échantillon de PbInd (Plomb Indium) fût estimée à TC 6K : Etude de la self-induction de la bobine entourant le supraconducteur en fonction de la température : Pour pouvoir observer cela ; on envoie un courant alternatif dans l’échantillon supraconducteur afin d’avoir une composante sinusoïdale qui générera un phénomène de self induction. Notons cependant que le choix de la fréquence doit être judicieusement choisi afin d’avoir d’une part une composante sinusoïdale observable (fréquence assez grande) et d’autre part éviter les effets de Pau en injectant des fréquences pas trop grandes. Nous avons donc opté pour une fréquence comprise entre 500Hz et 10Khz. On observe que la self-induction de la bobine reste constante a des températures supérieures à la température critique TC , puis à cette valeur de la température, un effondrement brutal a lieu et la self tend vers L=0. Voir Fig-4-. Fig-4- : Courbe représentant la variation de l’inductance de la bobine entourant l’échantillon supraconducteur en fonction de la température, L=F(T). Ce phénomène d’effondrement de la self-induction est essentiellement dû à la disparition du champ magnétique au sein du supraconducteur, et étant donné que le champ généré et la self-induction sont liés par la relation B L.I la self tend vers zéro elle aussi. Cette observation a été de nature capitale pour la suite des événements. En effet si le champ disparaît au sein du supraconducteur, comment donc se comporte l’échantillon en présence d’un champ extérieur, et son comportement varie-t-il en fonction de l’intensité du champ applique, existe-t-il une limite à ce phénomène de supraconductivité? Dans la partie suivante, c’est ce que nous nous sommes efforcés d’étudier dans les moindres détails. Rajouter quelques remarques plus tard. C- Champ extérieur et vortex : Après avoir étudié de près l’expérience qui a mis en évidence le phénomène de supraconductivité, la question qui se posa fût de comparer les propriétés des supraconducteurs à celles des conducteurs dit « parfait ». Pour cela nous avons donc appliqué un champ extérieur à l’échantillon via une bobine dont le champ peut atteindre près de 5000G. L’idée d’observer le comportement de l’échantillon selon les valeurs du champ extérieur appliqué vient, comme nous venons de le souligner plus haut, de la comparaison entre les supraconducteurs et les conducteurs parfaits. En effet nous devons souligner qu’un conducteur parfait dépend de son histoire, et le but était de savoir s’il en est de même pour un supraconducteur. Et nous verrons que la supraconductivité dépend d’événements bien plus subtils. En effet oute la problématique de la seconde partie de notre travail réside dans le fait de vérifier expérimentalement la présence d’une structure au sein du supraconducteur. L’importance de l’utilisation d’un champ magnétique extérieur se fait donc ressentir afin d’étudier le comportement du phénomène de supraconductivité et l ‘évolution de la structure en fonction de ce champ extérieur? ? ?. En effet, Afin de pouvoir évaluer de façon rigoureuse la valeur du champ magnétique extérieur, il a tout d’abord fallu étalonner la bobine qui créé ce dernier. L’étalonnage de la bobine se fait essentiellement en utilisant l ‘effet d’induction. Etalonnage de la bobine générant le champ extérieur : Comme il a été précisé plus haut, l’étalonnage de la bobine se fait par effet d’induction. On fabrique avec des moyen relativement rudimentaires une bobine, dite secondaire, comprenant un nombre de spires connu d’avance. On mesure la force électromotrice dans la bobine secondaire , afin de pouvoir remonter au champ existant dans la bobine que l’on cherche à étalonner grâce à la variation de flux. En effet, pour la bobine primaire (que l’on cherche à étalonner), on a : B 0 nI avec I un courant sinusoïdal d’amplitude fixée, Pour la bobine secondaire on sait que : B. S 0 NIS d n. e , où e : est la force électromotrice induite accessible par Sachant que dt mesure aux bornes de la bobine secondaire, et n le nombre de spires dans lka bobine secondaire, ici on a n=50, on déduit que : e 0 nIS . N 2 On donc pu tracer la caractéristique de la bobine qui créée le champ extérieur à l’échantillon supraconducteur B=f(I), Nous nous attendions à trouver une correspondance B/I=500G/A ainsi on pourra toujours connaître aisément la valeur du champ magnétique appliqué à notre échantillon de par la caractéristique représentée en figure-3-. En analysant la courbe, et selon nos mesures, on trouve une correspondance B/I=230G/A, ce qui nous a paru être très petit pour une bobine de cette envergure car cela aurait impliqué un nombre de spires de l’ordre de 2300 spires or, on avait un ordre de grandeur donné au préalable qui était de 5000 spires, nous avons donc essayé une autre méthode de mesure : Nous avons directement mesuré au tesla-mètre le champ créé par la bobine pour une courant de 1A.on a trouvé effectivement B=0.05T c’est à dire B=500G/A ce qui correspondait bien plus aux attentes. Courbe d’étalonnage de la bobine générant le champ extérieur BExt F (I ) . Cette correspondance assez simple mais très utile nous permettra de connaître immédiatement la valeur du champ extérieur immédiatement en connaissant la valeur de l’intensité du courant envoyé dans la bobine. Fig-5- : Etude de la variation de la résistance de l’échantillon supraconducteur en fonction du champ extérieur appliqué: La première expérience dont nous nous sommes chargés dans cette seconde partie fût d’étudier le comportement de la résistance de l’échantillon en fonction de la valeur du champ extérieur appliqué. Pour cela, il nous a fallu mesurer la résistance de l’échantillon supraconducteur et ce, en mesurant la tension appliquée en ses deux bornes après avoir injecté un courant continu fixé I Supra 0.5 A . En même temps , on applique un champ magnétique en envoyant un courant dans la bobine et, de par le travail effectué précédemment connaître la valeur du champ magnétique appliqué. La première grande observation fût que la courbe RSupra f ( BExt ) correspondait à celle d’une transition de phase du second ordre dont le paramètre de commande serait la champ extérieur et le paramètre d’ordre serait la résistance de l’échantillon. Le champ critique nommé BC (nous en connaîtrons la raison plus tard) a une valeur d’environs 300 G, c’est pour cette valeur du champ magnétique extérieur que le passage entre l’état supraconducteur et l’état normal s’effectue. 1 Fig-6-- Variation de la résistance de l’échantillon supraconducteur en fonction du champ extérieur appliqué R f ( BExt ) . Nous pouvons ainsi dire que l’état supraconducteur est présent pour des champs extérieurs inférieurs à 0.25T c'est-à-dire 2500G, mais cette valeur sera reprécisée ultérieurement. Variation de la tension en fonction de la tension: La finalité de cette expérience est de montrer l’existence d’une intensité critique pour laquelle on brise totalement l’état supraconducteur même si la valeur du champ magnétique extérieur est propice à la présence de ce dernier. En effet, l’expérience précédente nous a montré que nous étions dans l’état supraconducteur pour des champs magnétiques inférieurs à 2500 G, mais en fixant la valeur du champ magnétique (à 1925G pour la première série de mesures, et 3210G pour la seconde), et en faisant varier l’intensité du courant envoyé dans l’échantillon supraconducteur, on observe la réapparition d’une tension aux bornes de ce dernier. Cette tension à une dépendance linéaire en fonction de l’intensité, ce qui signifie que la résistance de l’échantillon n’est plus nulle et de ce fait, qu’il est désormais dans l’état normal. Afin de réaliser cette expérience il nous a suffi d’envoyer un courant fixé dans la bobine I BOBINE 3.65 A ( BEXT fixé ), d’envoyer un courant continu dans l’échantillon dont la valeur va varier au fur et à mesure et mesurer la tension aux bornes de ce dernier. Fig-7- Evolution de la tension en fonction de l’intensité de courant envoyée dans l’échantillon supraconducteur en présence d’un champ extérieur de 1925 G. On voit que la courant dit « Critique » : I C , est donné par la valeur I C 1.60 A , et que au-delà de cette valeur l’état supraconducteur disparaît et laisse place à l’état normal. La raison pour laquelle nous avons effectué une seconde série de mesures réside dans le fait qu’il n’y a aucune raison pour que cette valeur du courant critique soit la même si le champ magnétique extérieur est différent. La seconde série de mesures fût effectuée pour une valeur du champ magnétique de 2310G. Non surpris, les résultats correspondent aux attentes, en effet le courant critique I C 0.1A est nettement différent de la valeur précédente. La question qui s’est automatiquement posée est la suivante : Pourquoi plus la champ magnétique est grand et plus le courant nécessaire pour casser l’état supraconducteur est petit. A priori, la réponse à cette question est la suivante, si l’échantillon est dans l’état supraconducteur pour un champ magnétique donné, il est nécessaire de lui apporter de l’énergie électromagnétique afin qu’il défasse de l’état supraconducteur, donc plus le champ magnétique est grand à l’origine plus l’énergie nécessaire sera petite et donc le courant critique le sera par voie de conséquence. Fig-8- Evolution de la tension en fonction de l’intensité de courant envoyée dans l’échantillon supraconducteur en présence d’un champ extérieur de 2310 G. Champs critiques BC et BC : 1 2 La dernière expérience de cette section consiste à étudier la relation qui existe entre le courant critique développé plus haut et le champ magnétique extérieur. Pour mettre en évidence cette relation, nous faisions varier le champ magnétique extérieur, et simultanément nous mesurons la tension de l’échantillon étudié en envoyant un courant qui, au redémarrage de la tension V de l’échantillon , nous donnera le courant critique I C . Fig-9- I C f ( BEXT ) . Cette expérience montra beaucoup du phénomène, en particulier la présence d’une structure au sein de l’échantillon supraconducteur. Cette structure dont il s’agit, apparaît pour la valeur minimale du champ magnétique BC1 350G et disparaît pour une valeur maximale que nous sommes à présent capables de définir plus précisément BC2 2400G . Toujours concernant cette structure, des expériences de diffraction de neutrons à travers l’échantillon supraconducteur on démontré que ce sont des vortex dont le cœur, d’une centaine d’Angströms environs, permet le passage du champ magnétique et en s’éloignant du cœur du vortex le champ magnétique diminue très rapidement. C’est qui est appelé l’état mixte, car dans le même état on a un état normal, où le champ magnétique traverse l’échantillon et en contrepartie, à l’extérieur du cœur du vortex on est dans l’état supraconducteur. La prochaine et dernière expérience réalisée durant notre projet de laboratoire est une des preuves les plus expressives de la présence d’une En annexe -II-, le lecteur trouvera une image illustrant la présence des vortex dans un échantillon supraconducteur. Cette illustration a pu être obtenue grâce à une expérience de diffraction de neutrons. D- Champ transversal : Pour cette partie de la manipulation, nous avons dû apporter des modifications au montage original afin de pouvoir mener l’expérience à bien et de mettre en évidence les effets recherchés. Pour démarrer l’expérience proprement dite, il nous a fallu tout d’abord rouvrir le montage, incliner l’échantillon à un angle 45 , puis souder des prises de tension transverse afin de mesurer la tension transversale issue de l’inclinaison de l’échantillon. La mise en évidence de cette de la présence d’une structure repose sur le résonnement suivant. En inclinant l’échantillon à 45°, nous avons, de par le fait que le champ magnétique reste dans la même direction, nous aurions deux composantes du champ électrique la première transversale et la seconde longitudinale. De ce fait, les deux composantes de la tension de l’échantillon entrent en scène. Si nous mesurons les deux tensions et obtenons une certaine variation à la même valeur du champ extérieur BEXT , cela sera la preuve de la présence d’une certaine structure dont la présence dépend exclusivement de la valeur du champ extérieur appliqué. ICI FIG-10- Fig-10- Sur la même courbe, les tensions transversale et longitudinale avec un échantillon incliné à 45°. On observe bien le sursaut de la tension longitudinale au niveau du champ BEXT 1900G , puis la disparition de cette tension pour B EXT BC2 , l’effondrement de cette tension vers une valeur quasi nulle, en même temps que la tension longitudinale démarre et donc l’échantillon ressort de l’état supraconducteur. La tension transverse ne s’annule pas tout à fait car cela est dû au désalignement des prises de tension !!!! j’arrive pas à bien expliquer !!!! VI- Conclusion : Nous avons décidé de présenter cette en conclusion en deux phases : En premier lieu, nous présenterons un large éventail de propriétés des métaux supraconducteurs et leurs applications pour l’industrie. Puis en second lieu, le bilan des notions scientifiques et pédagogiques que le projet de laboratoire a permis aux membres du groupe de conter parmi leurs acquis. A- Applications de la supraconductivité: Limitations des systèmes classiques : Les conducteurs couramment utilisés remplissent parfaitement leurs fonctions. Mais ils chauffent (pertes par effet Joule), et ce phénomène de pertes est incontournable. Cet échauffement peut même dans certains cas causer la perte pure et simple du conducteur, c'est le "fusible". Pour améliorer les performances des plus puissants ordinateurs, les CRAY, on refroidit l'unité centrale dans l'hélium liquide ! De plus, les circuits magnétiques classiques ont deux principales limitations : l'induction magnétique créée est limitée (2 T), et leurs poids et encombrements sont plutôt contraignants. Une autre grandeur importante se trouve aussi limitée dans les machines électriques classiques : le couple. Celui-ci est directement lié à la densité linéique de courant. Or cette dernière se trouve fortement limitée par les pertes Joule. On voit tout de suite l'intérêt des machines supraconductrices et les enjeux qu'elles représentent. Dispositifs supraconducteurs : Bien que l'industrie électrique ne soit pas prête à adopter cette nouvelle technologie des supraconducteurs (cela constitue pour elle un grand changement), il existe déjà plusieurs applications de la supraconductivité. Nous retrouvons la supraconductivité dans plusieurs domaines, entre autres le domaine médical, le domaine de la recherche, le domaine de la fusion nucléaire, le stockage d'énergie électrique, les trains à lévitation magnétique mais aussi pour la propulsion (magnétohydrodynamique). Ces applications constituent les applications à grande échelle, car on entre dans le domaine industriel, avec toutes les conséquences économiques que cela implique. Les dispositifs supraconducteurs précédemment cités constituent donc les applications à grande échelle. Mais il existe aussi d'autres applications plus anciennes, mais moins parlantes par leurs noms : cryotron, diode Josephson, SQUID,etc. ... Applications à grande échelle 1. Les applications médicales : Une application médicale est l'imagerie par résonance magnétique (I.R.M.). L'I.R.M. est basée sur le principe suivant : un noyau atomique doté d'un moment magnétique et soumis à une induction Bo constante décrit un mouvement de précession autour de son axe avec une vitesse angulaire proportionnelle à Bo. En appliquant un champ magnétique perpendiculaire à Bo, on observe un phénomène de résonance si la fréquence d'excitation f est égale à la vitesse angulaire de précession. On recueille ainsi un signal caractéristique. L'induction de polarisation Bo varie dans l'espace, et f aussi donc, ce qui permet l'obtention des images. L'induction magnétique de 0,5 à 4 Teslas nécessaire ne peut être obtenue qu'à l'aide d'aimants supraconducteurs. De plus, mis à part la phase d'établissement du courant, l'alimentation électrique n'a plus lieu d'être. La consommation de "froid" est très faible et le poids de l'engin est réduit. Le grand gagnant est le patient : celui-ci ne subit aucun effet nocif connu à ce jour et les images prises de son corps (crâne, corps, membres ...) sont d'excellente qualité, ce qui permet aux médecins de faire un diagnostic correct. Une autre application sur le même principe que l'I.R.M. est la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN). A la différence de l'I.R.M., deux champs magnétiques orthogonaux entrent en jeu (un à haute fréquence, l'autre continu). Sous leurs effets, les noyaux entrent en précession et émettent des signaux que l'on recueille ensuite pour l'analyse de la nature, la composition chimique et la structure des échantillons. Et comme il faut des inductions magnétiques supérieures à 7-13T, les aimants supraconducteurs sont extrêmement utiles. Image IRM du cerveau humain 2. Les aimants pour la recherche : Il y a les aimants pour les laboratoires, qui génèrent plusieurs Teslas. Ils permettent l'étude des propriétés physiques des matériaux sous l'effet de champs magnétiques. Ces aimants supraconducteurs servent à l'étude de la supraconductivité ! Des inductions de 31,35 Teslas ont été obtenues et cette valeur était le record mondial en 1993. Ces aimants supraconducteurs servent aussi dans la physique des particules : pour pouvoir bien guider les particules, les maintenir sur des orbites définies, focaliser et recentrer les faisceaux. D'autres aimants servent à la détection de particules élémentaires émises lors des collisions dans les accélérateurs. On a donc des aimants supraconducteurs sur tout le parcours des particules. 3. Les tokamaks : L'électricité d'origine nucléaire actuellement produite provient de la fission de noyaux d'atomes. On casse les gros noyaux et on en récupère l'énergie. Mais il existe aussi la fusion nucléaire (ce qui se passe dans le soleil par exemple) : des atomes légers se combinent pour former des atomes plus lourds. Il faut pour cela chauffer les noyaux très fortement (100 millions de degrés). Il va de soi que les noyaux chauffés ne peuvent toucher aucune paroi : il faut les maintenir à l'état de plasma confiné dans un réacteur, et le tokamak est une voie prometteuse. Ce confinement est obtenu par voie magnétique (sous forme d'un anneau torique), et encore une fois, comme il faut des inductions très élevées (dizaine de Teslas) et que les volumes concernés sont grands, les bobines toroïdales supraconductrices s'y prêtent à merveille. Vue d'un tokamak 4. Le stockage de l'électricité : Le seul moyen de conserver indéfiniment l'électricité serait son stockage sous forme magnétique, évidemment dans des bobines supraconductrices. A l'heure actuelle, l'énergie est stockée sous forme d'énergie primaire : pétrole, charbon, uranium, eau (dans les barrages), etc. ... Une fois transformée en énergie électrique, il faut la "consommer" de préférence avant la date limite : la fraction de seconde qui suit... 5. Les trains à lévitation magnétique : Imaginons un train qui glisse quelques centimètres au dessus de la voie à plus de 500 km/h. Cela existe ! A l'échelle réduite, mais aussi à l'échelle 1:1, au Japon. Pour propulser le train, il faut d'abord qu'il entre en lévitation. Deux méthodes sont possibles : la lévitation magnétique de type électromagnétique ou celle de type électrodynamique. La première ne fait pas appel à la supraconductivité, contrairement à la seconde. Cette dernière est basée sur la répulsion entre les éléments embarqués sur le train et des plaques conductrices (ou des bobines courtcircuitées) situées sur la voie. L'avantage des bobines est de réduire la puissance dissipée. L'entrefer (distance sol-train) peut être de 10 cm si les aimants du train sont suffisamment puissants. Il faut faire appel à la supraconductivité. Par interaction entre un inducteur embarqué et des bobines sur la voie, le train se meut pour le plus grand bonheur des ruminants. En 1977, le prototype ML 500 japonais atteignit la vitesse record de 517 km/h. Même le TGV Atlantique français ne peut faire mieux treize ans après avec 515,3 km/h (chiffre qui reste cependant le record mondial de vitesse sur rails). Ces trains à lévitation présentent plusieurs avantages : outre le fait qu'ils circulent à de très hautes vitesses (ce qui raccourcit la durée des trajets), ils n'usent pas les voies (car il n'y a pas de contact direct), et le problème du captage du courant par pantographe ne se pose plus. Les contraintes des trains sur rails (contact pantographe-caténaire, adhérence, freinage, signalisation) n'autorisent pas aujourd'hui des vitesses commerciales au-delà de 350 km/h. Les trains à lévitation semblent donc prometteurs, mais les problèmes liés à leur mise au point (entre autres le problème du captage de l'énergie - il n'y a plus de contact !) et les infrastructures nécessaires font qu'aujourd'hui, les trains conventionnels ont encore de beaux jours devant eux. Le prototype allemand, le Transrapid, actuellement en phase de test. 6. La magnétohydrodynamique : Des recherches sont actuellement menées sur la magnétohydrodynamique (M.H.D.). Cette nouvelle technologie permettrait de mouvoir les bâtiments maritimes (de surface ou sous-marins, civils ou militaires) dans le plus grand silence radar. Pour comprendre le phénomène, il faut se rappeler que l'eau de mer est conductrice. En créant des courants dans l'eau, une poussée est ainsi créée suite à l'interaction des ces derniers avec les champs inducteurs par les bobines embarquées sur le navire. C'est le principe de la M.H.D. a.c. (M.H.D. à induction). Une autre méthode (celle de la M.H.D. d.c. ou M.H.D. à conduction) repose sur le principe d'une interaction entre une induction magnétique et un courant continu imposé par une différence de potentiel créée entre deux électrodes plongées dans l'eau. Une force contreélectromotrice est ainsi créée, et le navire est propulsé. Bateau à propulsion MHD Ces deux méthodes posent cependant énormément de problèmes, mais les chercheurs (civils ou militaires) ne désespèrent pas de trouver un jour la propulsion miracle. Pour illustrer cet enjeu, les Japonais ont déjà testé un prototype grandeur nature, le Yamato I. Bien que ses performances ne soient pas à la hauteur des navires classiques, il prouve en tout cas la viabilité de cette méthode de propulsion. Comme pour les trains à lévitation magnétique, ce sont des problèmes de mise au point qui freinent leurs développements. Quelques applications de base : 7. Le cryotron : Une des premières applications de la supraconductivité fut le cryotron : ce fut la première application d'un "interrupteur" supraconducteur, application introduite par Dudley Buck. Dans son application, le basculement était produit en utilisant la suppression du champ magnétique. Des applications dans les ordinateurs étaient possibles (les supraconducteurs alors utilisés étaient le niobium et le tantale). 8. La jonction Josephson : Le cryotron rencontra des limitations en performance de sa vitesse, limitations qui ne furent plus un obstacle après la découverte de l'effet tunnel en supraconductivité. Vint ensuite la diode Josephson. Le schéma suivant illustre son fonctionnement : Schéma équivalent de la diode Josephson La jonction Josephson repose sur deux propriétés physiques importantes : l'effet tunnel et la longueur de cohérence des paires de Cooper. Si l'on sépare deux couches supraconductrices par une couches isolante d'épaisseur inférieure à , un électron de la couche supérieure (pour se fixer une représentation) peut être apparié à un électron de la couche inférieure (la distance entre eux est inférieure à ) par effet tunnel. La couche isolante qui joue le rôle de barrière de potentiel devient transparente par effet quantique, tant que la distance ente les électrons est inférieure à . L'électron pouvant traverser la couche isolante par effet tunnel, un courant apparaît alors. En appliquant un courant continu à une jonction Josephson, on obtient un courant alternatif de très grande fréquence (483 MHz pour une tension de 1 microvolt !). Le principe de la diode Josephson a permis aux Japonais de tester un processeur 4 bits avec une fréquence d'horloge 500 fois supérieure à ce que l'on savait faire de mieux à l'époque. B- Bilan du groupe : Annexe -I- : Résumé historique 1908 Liquéfaction de l'hélium (4,2 K soit -269°C) par Kammerling ONNES. 1911 Kammerling ONNES découvre la supraconductivité en proposant à G. HOLST de mesurer la résistivité du mercure à très basse température. 1913 Echec du premier aimant supraconducteur. 1933 Mise en évidence du diamagnétisme des supraconducteurs (MEISSNER et OCHSENFELD). 1954 Premier aimant supraconducteur (Nb) qui fonctionna (0,71 Tesla à 4,2 K). 1957 Théorie microscopique BCS de la supraconductivité (BARDEEN, COOPER et SCHIEFFER). Théorie d'A. ABRIKOSOV des supraconducteurs de type II (réseau de vortex). 1958 Mise au point de conducteurs de type II en NbTi et Nb3Sn. 1960 Découverte des fortes densités de courant sous induction élevée (Nb 3Sn). B. JOSEPHSON prédit les effets quantiques qui portent son nom et qui sont 1962 utilisés en détection ultra-sensible de champ magnétique (jonctions Josephson et SQUID). 1964 Première application significative des supraconducteurs : chambre à bulles d'Argone (2,5 T dans plusieurs m3). 1965 Premiers cryoalternateurs. 1968 Définition du brin multifilamentaire par le laboratoire Rutherford. 1974 Mise en service de la plus puissante chambre à bulles au CERN (830 MJ). 1982 Première images IRM, elles assureront à la supraconductivité sa première application industrielle et commerciale. Mise au point des brins multifilamentaires alternatifs. 1983 Premier accélérateur supraconducteur. 1986 BEDNORZ et MÜLLER découvrent la supraconductivité dans de nouveaux oxydes. Envolée des températures critiques. 1987 Démarrage de TORE SUPRA, tokamak supraconducteur refroidi à 1,8 K et installé à Cadarache (France). 1995 Record reproductible à 164 K (-109°C). Annexe -II- : Mise en évidence de la présence de vortex par une diffraction de neutrons :
