ASDS supraconducteurcor

ASDS TS-­‐SPE NOM : ................................... THÈME LES MATÉRIAUX STRUCTURE ET PROPRIÉTÉS DES MATÉRIAUX / L'ENVOL DE LA SUPRACONDUCTIVITÉ PRÉNOM : ............................ CLASSE : ...................... DATE : ............................................. Document 1 : Une révolution qui venait du froid Document 2 : Un aimant qui vole! Il y a tout juste cent ans, un étonnant phénomène chamboulait La photographie ci-­‐dessous représente un aimant tout ce qu'on-­‐savait jusqu'alors sur J'électricité. Ou plutôt sur la en lévitation au-­‐dessus d'un supraconducteur résistance des matériaux à la laisser passer. Car même les fils électriques les plus conducteurs qui soient gâchaient partie de cette énergie en la transformant en chaleur. Jusqu'à ce que, en 1911, un physicien hollandais voit littéralement voit "disparaître" la résistance électrique du mercure! Pas dans n'importe quelle condition cependant : à une température frisant le zéro absolu. La supraconductivité était née et semblait concerner de nombreux métaux et alliages [... J. Pour expliquer le phénomène, nul besoin de faire appel à une transformation du matériau induite par le froid. La supraconductivité trouve son origine dans le comportement des électrons de la matière et, pour la comprendre, il faut avoir recours à la physique quantique. Au fil des ans, les recherches vont révéler bien d'autres propriétés surprenantes. En particulier, supraconductivité et magnétisme ne font pas bon ménage: un supraconducteur exclut tout champ magnétique que l'on veut lui imposer de l'extérieur. C'est l'effet Meissner, du nom de son découvreur. «C'est d'ailleurs cette capacité qui fait qu'un supraconducteur est tout autre chose qu'un simple conducteur idéal », rappelle Georges Waysand, du Laboratoire souterrain à bas bruit de Rustrel-­‐Pays d'Apt -­‐Mathieu Grousson, extrait de l'article «Une révolution qui venait du froid», paru dans l’enquête« la supraconductivité prend son envol »Journal du CNRS n- 255, avril 2011
Document 3: La supraconductivité, comment ça marche? Un phénomène magnétique... Un aimant génère autour de lui un champ magnétique qui traverse tout matériau non magnétique comme la pastille noire (a) , Quand la pastille noire devient supraconductrice il basse température, celle-­‐ci expulse le champ magnétique (b). Cela crée alors une force sur l'aimant et le fait léviter: c'est ce qu'on appelle l'effet Meissner.-­‐ ……et électrique A l'échelle microscopique, la physique quantique nous apprend que, dans un métal. les électrons se comportent comme des ondes étalées sur plusieurs atomes, indépendantes les unes des autres (c). Dès qu'un défaut se présente ou que l'un des atomes du réseau cristallin vibre, ces ondes sont perturbées. A très basse température, quand un métal devient supraconducteur ses électrons s'associent par paires (d)-­‐ Toutes les paires d'électrons se superposent alors (e) les unes aux autres pour former une seule (f) Cette onde tout il fait particulière devient insensible aux défauts du matériau: ils sont trop petits pour la freiner dans son ensemble. la résistance électrique a disparu. Document 4: Applications de la supraconductivité La supraconductivité a de nombreuses applications possibles dans le domaine de l'énergie (Fig. 1), des transports (Fig. 2), de la santé, de la télécommunication ou de la recherche. fig.1 L’utilisation des supraconducteurs permettrait d’éviter les pertes par effet joule fig.2 train a sustentation magnétique a atteint une vitesse record de 581km.h-­‐1 Document 5 : Matériaux supraconducteurs Pour qu'un métal devienne supraconducteur, il faut qu'il soit soumis à des températures approchant le 0 K, soit -­‐273,l5 °C. Dans l'avenir, les chercheurs espèrent élaborer des supraconducteurs à température ambiante, qui ne nécessiteraient plus des systèmes de réfrigération, coûteux et encombrants. D'ores et déjà, des matériaux, qui ne sont pas des métaux, pouvant être supraconducteurs à quelques dizaines de kelvin, ont été découverts. Un aveni prometteur…. Question 1 a. Quels types de matériaux sont actuellement concernés par le phénomène de supraconductivité? Le phénomène de supraconduction peut concerner les métaux et leurs alliages b. À quelle condition ces matériaux peuvent-­‐ils devenir supraconducteurs? Ces matériaux peuvent devenir supraconducteurs à des températures proches du zéro absolu-­‐ Question 2 a. Au niveau électrique, par quoi se traduit le phénomène de supraconductivité? Au niveau électrique, la supraconductivité se traduit par une résistance nulle au courant électrique b. Au niveau magnétique, de quoi s'accompagne ce phénomène? Au niveau magnétique, le phénomène s’accompagne d’une exclusion de tout champ magnétique. Question 3 Donner des exemples de l'utilisation possible de la supraconductivité La supraconduction est utilisée :
– dans les transports : train à sustentation magnétique ; ................................................................................................. – dans l’énergie : utilisation de câbles qui ne présentent aucune résistivité au passage du courant électrique Question 4 a. Quel est le principal avantage de la supraconductivité? Le principal avantage est d’éviter les pertes par effet Joule c. Quel en est le principal inconvénient Le principal inconvénient est que le phénomène de supraconductivité nécessite de travailler à très faibles températures et donc d’utiliser des systèmes de réfrigérations-­‐ Question 5 a. Qu'appelle-­‐t-­‐on le ({ zéro absolu)}? Le « zéro absolu » correspond à une température de 0 K, soit -­‐ 273 K. b. -­‐Qu'appelle-­‐t-­‐on l'effet Meissner ? L’effet Meissner est l’effet d’exclusion de tout champ magnétique observé pour un matériau supraconducteur-­‐ Conclusion Question 5 a. Quelle est la nature des deux phénomènes physiques qui se manifestent dans la supraconductivité La supraconductivité s’explique au niveau micros microscopique par la physique quantique. Dans un métal, les électrons se comportent comme une onde qui s’étale sur plusieurs atomes. Dans un matériau supraconducteur, cette onde occupe tout le matériau. b. -En quoi la recherche sur la supraconductivité est-­‐elle importante pour l'avenir? La supraconduction est à la fois un phénomène électrique car un matériau supraconducteur a une résistance électrique nulle et un phénomène magnétique car un matériau supraconducteur rejette tout champ magnétique. La recherche sur la supraconduction est importante car il est important de pouvoir transporter de l’électricité sans perte d’énergie mais cela n’est réellement pertinent que s’il est possible de concevoir de tels matériaux à des températures proches des températures ambiantes