travaux personnels encadrés 2013 train a sustentation magnétique

TRAVAUX PERSONNELS ENCADRÉS
2013
TRAIN A SUSTENTATION
MAGNÉTIQUE
Lycée Gay-Lussac 87000 Limoges
BETOULLE Romain ; BARDAUD Jean-Xavier ; VERGNAULT David

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Sommaire :
Introduction
I - Deux principes utilisant le magnétisme
A) Le magnétisme
B) L´électromagnétisme
C) L’électrodynamisme ou la supraconductivité
II -Deux principes de fonctionnement, deux trains
A) L´énergie nécessaire
- La propulsion
- L´arrêt
B) Fonctionnement et principe de sustentation
- Les trains à sustentation électromagnétique (Transrapid)
- Les trains à sustentation électrodynamique (Maglev)
Conclusion
Expériences
Nos références

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Introduction
Ce TPE (Travaux Personnels Encadrés), traitera des trains à sustentation magnétique et
plus précisément de leur fonctionnement. Deux termes clefs apparaissent alors dans le
sujet : « trains à sustentation » et « magnétique ».
Le premier train (nom commun dérivé du verbe « traîner ») a été créé par Richard Trevithick
et utilisé lors de la première révolution industrielle, au XIXème siècle, le 21 février 1804 en
Angleterre. La locomotive à vapeur va alors évoluer au fil du temps vers le train à traction
électrique, toujours utilisée actuellement, puis vers le train à la sustentation magnétique.
La sustentation est l´état d´un corps maintenu à faible distance au-dessus d´une surface,
sans contact avec elle, par une force verticale dirigée de bas en haut et équilibrant le poids
du corps.
Le magnétisme est une force définie par un champ dit magnétique; cette force sera alors la
base du fonctionnement de ces trains.
A travers notre problématique « Comment utiliser la sustentation magnétique dans les
transports en communs ? », nous poserons les bases du magnétisme, puis nous étudierons
deux types de trains à sustentation magnétique en définissant les deux principes qui
différencient leur fonctionnement.

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I - Deux principes utilisant le magnétisme
A) Le magnétisme
Un minerai de fer tel que l´oxyde magnétique (Fe3O4), appelé magnétite, a la propriété
d´attirer les objets composés de fer. On peut le définir comme un aimant naturel. Il réagit à la
loi du ferromagnétisme qui sera définie plus tard.
On trouve aussi les aimants permanents qui sont composés de Néodyme-Fer-Bore ou
Samarium-Cobalt. Ils ont deux pôles distincts appelés Nord et Sud en référence à
l´attractivité naturelle de la Terre avec comme plus vieille application la boussole, inventée
au Xème siècle avant J-C en Chine.
Si l´on met face à face deux pôles identiques de ces aimants permanents, (Nord-Nord ou
Sud-Sud), ils se repoussent ; à contrario si l´on met deux pôles différents face à face, ils
s´attirent.
Par contre si l´on approche un élément composé de fer, nous nous apercevons qu´il est
attiré quel que soit le pôle qu´on lui présente.
Cette attractivité est présente grâce à ce que l´on appelle le champ magnétique. En plaçant
une plaque de plexiglas sur un aimant permanent et en disposant de la limaille de fer sur la
plaque, nous voyons apparaître des lignes appelées lignes de champ. Ces lignes de champ
sont la représentation du champ magnétique qui est invisible en temps normal. On remarque
aussi que ces lignes vont d´un pôle vers un autre.
Le champ magnétique est alors désigné :
- par son sens : Nord-Sud ou Sud-Nord
- par sa direction : selon son flux magnétique démontré par une aiguille aimantée
- par sa valeur : le Tesla noté T.
Lignes de champ magnétique d´un aimant permanent
Limaille de fer déposée sur une plaque de plexiglas
Attraction et répulsion d'aimants permanents

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On distingue alors trois types de magnétisme avec différentes forces :
 Le ferromagnétisme :
C’est le fait de rendre fortement magnétique certains métaux lorsqu´ils sont soumis à
un champ magnétique (susceptibilité magnétique = 105). On peut classer les métaux
en deux catégories : les matériaux magnétiques doux comme le fer, le cobalt et le
nickel qui s´aimantent et se désaimantent facilement et les matériaux magnétiques
durs qui sont principalement des alliages comme le Néodyme-Fer-Bore ou
Samarium-Cobalt. Ils forment les aimants permanents.
 Le paramagnétisme:
C’est un phénomène qui considère les atomes comme de petits aimants permanents.
Lorsque certains matériaux traversent un champ magnétique comme l´aluminium, le
sodium, l´uranium ou encore le calcium, leurs atomes s´alignent en fonction du
champ magnétique, c´est-à-dire dans la même direction. Ce phénomène reste quand
même inférieur au ferromagnétisme (susceptibilité magnétique = 10-3).
 Le diamagnétisme :
Presque tous les matériaux sont diamagnétiques. Lorsque ces matériaux sont
soumis à un champ magnétique, ils créent un champ magnétique inverse. Ce champ
magnétique créé est alors proportionnel à celui initialement donné mais très souvent
inférieur aux autres phénomènes magnétiques (susceptibilité magnétique = 10-5). Ce
phénomène est alors parfait et proémine sur les autres principes lorsque l´on parle
de supraconductivité (sujet développé par la suite).