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Département Automatique,
Electronique et Electrotechnique
Ecole doctorale IAEM Lorraine
MÉTHODES ET OUTILS DE CARACTÉRISATION
ÉLECTRIQUE ET MAGNÉTIQUE DES
SUPRACONDUCTEURS
Thèse présentée et soutenue publiquement le
6/12/2013
pour l’obtention du titre de
Docteur de l’Université de Lorraine en Génie Electrique
par
Julien Leclerc
Membres du jury :
Rapporteurs :
Dr. Laurent Krähenbühl
Directeur de recherche CNRS
(Université de Lyon)
Pr. Philippe Vanderbemden
Professeur à l’Université de Liège
Examinateurs :
Dr. Kévin Berger
Maître de conférences à l’Université
de Lorraine, Co-directeur de thèse
Pr. Frédéric Bouillault
Professeur à l’Université de Paris Sud
Dr. Bertrand Dutoit
Maitre d’enseignement et de
recherche à l’Université de Lausanne
Dr. Francesco Grilli
Responsable de groupe au KIT
(Karlsruhe Institute of Technology)
Pr. Jean Lévêque
Professeur à l’Université de Lorraine,
Directeur de thèse
Laboratoire GREEN (Groupe de Recherche en Electronique et Electrotechnique de Nancy)

REMERCIEMENTS
Les travaux menés durant mes trois années de thèses ont été réalisés au sein du
laboratoire GREEN. C’est pourquoi, je tiens à remercier d’une manière globale tous les
membres du GREEN pour avoir toujours été présents pour répondre à mes questions.
Je tiens plus particulièrement à remercier le Pr. Jean Lévêque, mon directeur de
thèse. C’est principalement grâce à lui que j’ai pu décrocher ma bourse de thèse. Ses
grandes connaissances dans de nombreux domaines scientifiques m’ont toujours
impressionné.
Je souhaite aussi remercier le Dr. Kévin Berger, mon co-directeur de thèse. Les
nombreuses discutions que j’ai eu avec lui m’ont apporté beaucoup, tant au niveau
théorique qu’expérimental.
Je remercie le Dr. Bruno Douine qui, grâce à son expertise en matière de
caractérisation des supraconducteurs, m’a beaucoup appris.
Je remercie les membres du jury pour avoir donné de leur temps afin d’évaluer mes
travaux et pour les nombreuses remarques très pertinentes qu’ils ont formulées.
Pour finir, je souhaite remercier ma famille et plus particulièrement ma mère, qui
m’a toujours soutenu dans ce projet.
1

TABLE DES MATIERES
1 INTRODUCTION GENERALE ................................................................. 6
2 SUPRACONDUCTIVITE POUR LE GENIE ELECTRIQUE ........................... 7
2.1 INTRODUCTION .............................................................................................. 7
2.2 CARACTERISTIQUES MAGNETIQUES ................................................................... 10
2.2.1 Effet Meissner ....................................................................................... 10
2.2.2 Vortex ................................................................................................... 11
2.2.3 Champs magnétiques critiques ............................................................ 12
2.2.4 Surfaces critiques .................................................................................. 13
2.2.5 Champ de pénétration complète .......................................................... 14
2.3 CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES ..................................................................... 15
2.3.1 Densité de courant critique .................................................................. 15
2.3.2 Caractéristique E(J) ............................................................................... 16
2.3.2.1 Caractéristiques expérimentales ................................................................. 16
2.3.2.2 Modèle de Bean .......................................................................................... 18
2.3.2.3 Loi en puissance .......................................................................................... 19
2.3.2.4 Dependence en champ ............................................................................... 20
2.4 MATERIAUX SUPRACONDUCTEURS ................................................................... 22
2.4.1 Niobium Titane ..................................................................................... 22
2.4.2 Niobium Etain ....................................................................................... 23
2.4.3 YBaCuO ................................................................................................. 23
2.4.4 BiSCCO .................................................................................................. 24
2.4.5 MgB2 .................................................................................................... 26
3 CARACTERISATION DES SUPRACONDUCTEURS ................................. 30
3.1 POSITIONNEMENT DU PROBLEME ..................................................................... 30
3.2 SPECIFICITE DES MESURES EN SUPRACONDUCTIVITE ............................................. 32
3.3 METHODES DE CARACTERISATION .................................................................... 33
3.3.1 Courant de transport ............................................................................ 33
3.3.2 Aimantation DC .................................................................................... 35
3.3.3 Susceptometrie AC................................................................................ 38
3.3.4 Ecrantage magnétique ......................................................................... 42
3.3.5 3éme harmonique ................................................................................ 43
3.3.6 Field profile ........................................................................................... 46
3.3.7 Field mapping ....................................................................................... 47
4 DETERMINATION DE LA CARACTERISTIQUE E(J,B) D’UN RUBAN
SUPRACONDUCTEUR A PARTIR DE MESURES SUR UNE BOBINE ....... 50
2

4.1 INTRODUCTION ............................................................................................ 50
4.2 DESCRIPTION DE LA METHODE ......................................................................... 51
4.3 CALCULS THEORIQUES ................................................................................... 52
4.3.1 Calcul de la caractéristique tension-courant d’une bobine
supraconductrice .................................................................................. 52
4.3.2 Minimisation de l’écart entre les mesures et le modèle ....................... 54
4.3.3 Erreur engendrée par les imprécisions de mesure ................................ 57
4.4 APPLICATION DE LA METHODE SUR UN RUBAN BISCCO ........................................ 60
4.4.1 Dispositif expérimental ......................................................................... 60
4.4.2 Calcul de l’induction magnétique appliquée à la bobine ...................... 62
4.4.2.1 Méthode coulombienne .............................................................................. 62
4.4.2.2 Méthode ampérienne ................................................................................. 62
4.4.2.3 Calcul de l’induction magnétique produite par les aimants permanents ... 63
4.4.3 Résultats expérimentaux ...................................................................... 66
4.5 COMPARAISON DE LA METHODE MB ET DE LA METHODE CT ................................. 69
4.5.1 Estimation du rapport signal sur bruit de la méthode MB ................... 69
4.5.2 Comparaison avec la méthode CT ........................................................ 72
4.6 CARACTERISATION PAR LA METHODE MB SANS MODELE ....................................... 73
4.6.1 Description du principe ......................................................................... 73
4.6.2 Résultats obtenus ................................................................................. 74
4.7 APPLICATION DE LA METHODE POUR CARACTERISER UN RUBAN MGB2 .................... 76
4.7.1 Design du dispositif .............................................................................. 77
4.7.1.1 Dispositif expérimental ............................................................................... 77
4.7.1.2 Simulation du système ................................................................................ 80
4.7.1.3 Résultats expérimentaux ............................................................................. 82
4.8 CONCLUSION ............................................................................................... 86
5 CARACTERISATION PAR MESURE DE CARTE DE CHAMP
(« FIELD MAPPING ») ........................................................................ 89
5.1 INTRODUCTION ............................................................................................ 89
5.2 PRINCIPE ..................................................................................................... 90
5.3 DISPOSITIFS DE MESURE DE CARTES D’INDUCTION MAGNETIQUE............................. 92
5.3.1 Etat de l’art ........................................................................................... 92
5.3.1.1 L’imagerie magnéto-optique ....................................................................... 92
5.3.1.2 Le balayage par sonde à effet Hall .............................................................. 93
5.3.1.3 Le MagnetoScan .......................................................................................... 93
5.3.1.4 La mesure avec une matrice de sondes à effet Hall .................................... 94
5.3.2 Solution retenue et réalisation du système de mesure ......................... 94
5.4 CALCUL INVERSE 1D ...................................................................................... 98
3