Comme sur des rails - Olympiades de Physique
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Olympiades de Physique en France, XXème édition Supraconductivité – Comme sur des rails Réalisé par Daniel Carazo, Rolando Cruz et Jude Jbara Professeur encadrant : Florent Quiquerez Lycée Franco-Costaricien Costa Rica 0 Sommaire Résumé .......................................................................................................................................... 2 I. Théorie .............................................................................................................................. 3 A. Histoire des courants électriques et des champs magnétiques..................................... 3 B. Perte d’énergie dans un courant électrique : l’effet Joule ............................................. 3 C. Histoire de la supraconductivité .................................................................................... 4 D. L’effet Meissner et la lévitation quantique ................................................................... 5 II. Applications de la supraconductivité ................................................................................ 9 A. Applications de la résistance électrique presque .......................................................... 9 B. Applications de l’effet Meissner .................................................................................. 10 III. Expériences et démarche ................................................................................................ 11 A. Expériences .................................................................................................................. 11 Expérience 1 : démonstration de l’effet Meissner................................................................. 11 Expérience 2 : Hauteur de lévitation...................................................................................... 12 Expérience 3 : Temps de lévitation ........................................................................................ 13 Expérience 4 : Première tentative de circuit.......................................................................... 14 Expérience 5 : Le nouveau « track »...................................................................................... 15 B. Possibles applications avec de suffisantes ressources : train à base de supraconducteurs ................................................................................................................... 16 C. Démarche du groupe ................................................................................................... 17 Bibliographie ............................................................................................................................... 20 Annexes ....................................................................................................................................... 20 1 Résumé L’état de supraconductivité est atteint lorsqu’un matériau à des températures très basses présente une résistance électrique quasi-nulle. Cet état fait que le matériau repousse les champs magnétiques extérieurs. Un supraconducteur peut être figé dans un champ magnétique car il est capable de tordre les lignes de champ autour de lui, ce qui est l'effet Meissner, mais aussi car certaines lignes convergent et traversent le supraconducteur en des points spécifiques. On dit alors qu'il est figé dans l'espace, car les lignes de champ dans son intérieur sont arrangées, et changer cet arrangement demanderait beaucoup plus d’énergie que de rester sur place. Dans un flux magnétique continu, comme celui créé par un circuit d'aimants, le supraconducteur ne change pas la configuration des lignes de champ dans son intérieur en aucun point du circuit, puisque le champ magnétique est le même tout le long des rails ; le supraconducteur peut donc se déplacer librement sur tout le long du circuit. Ce déplacement est intéressant car il a l'avantage d'être un mouvement libre de friction. La zéro résistance électrique des supraconducteurs est utilisée aujourd’hui pour détecter des faibles champs magnétiques ou pour au contraire, fabriquer des électroaimants très puissants. Enfin, il faut noter que l’effet Meissner présente seulement des applications pour le futur, aucune application n’étant avérée actuellement. 2 I. Théorie A. Histoire des courants électriques et des champs magnétiques En 1820, Hans Oersted démontra qu’un courant électrique qui traverse un câble génère un champ magnétique autour de lui-même. Il montra de quelle manière ce câble altérait la direction d'une boussole qui se trouvait près de lui. Le phénomène à l'inverse, l’induction (la création d'un courant électrique quand un champ magnétique qui varie en fonction du temps traverse une bobine), fut démontré en 1832 par Joseph Henry et Michael Faraday. Hans Christian Oersted et sa célèbre expérience : La présence d’un champ magnétique* est témoignée par l’aliénation de la boussole avec le câble *Voir animation en annexe B. Perte d’énergie dans un courant électrique : l’effet Joule Tous les conducteurs électriques présentent une certaine résistance au courant électrique. Cette résistance (qui dépend de la résistivité et de la longueur du matériau) transforme une partie de l’énergie électrique en chaleur, puisque le courant est en fait des électrons qui passent par le conducteur, et ces électrons collisionnent avec les atomes qui composent le conducteur, en perdant ainsi de l’énergie qui se dissipe sous forme d’énergie thermique. Cet effet peut se décrire de la façon suivante: « la chaleur générée par un courant électrique dépend directement du carré de l'intensité du courant, du temps pendant lequel celui-ci traverse le conducteur et de la résistance que celui-ci oppose au courant ». Ceci est appelé effet Joule et est illustré par la formule suivante: 3 Ici, Q est la chaleur générée en joules, I l’intensité du courant en Ampères, R la résistance du conducteur en Ohms et t le temps en secondes. Par conséquent, une portion substantielle de l'électricité générée et perdue sous forme de chaleur dans un générateur, les lignes de transmission et les appareils qui utilisent un courant électrique. C. Histoire de la supraconductivité En 1911, le scientifique hollandais Heike Kamerlingh Onnes découvrît, en mesurant la résistance électrique de multiples éléments à très basses températures, que le mercure perdait toute résistance électrique à 4.2K. Depuis lors, d'autres substances ont prouvé d'être non résistantes à des températures similaires et un concept nouveau, la supraconductivité, fut inventée pour décrire ce phénomène. Heike Onnes et le graphique représentant la courbe de résistance électrique du mercure en fonction de sa température. Ici, 4.2 Kelvin est appelé « point de supraconductivité » Cependant, les températures extrêmes que nécessite la supraconductivité la rendaient peu pratique, et en limitaient les applications. Mais récemment, de nouveaux matériaux issus de la recherche deviennent des supraconducteurs à des températures beaucoup plus hautes, permettant un refroidissement à l’azote liquide, bien plus pratique. Par exemple, en 1986, les chercheurs d´IBM réussirent à atteindre l’état de supraconductivité avec des céramiques à 30.15 K, ouvrant la possibilité de la supraconductivité « à haute température ». Un an plus tard, Paul Chu à l'Université de Houston, au Texas, EtatsUnis, a obtenu la supraconductivité à 94.15 K, (une température qui peut être maintenue facilement à l'aide d'azote liquide). 4 Les chercheurs tentent actuellement de trouver un matériau qui sera supraconducteur à température ambiante, néanmoins la plus haute température à laquelle la supraconductivité a été atteinte est de 138 K. Il existe aussi certains métaux, comme le platine et le cuivre, qui ne sont pas supraconducteurs : à mesure que leur température diminue, leur résistance décroit, mais à un moment, au lieu de diminuer encore, elle commence à augmenter. D. L’effet Meissner et la lévitation quantique Pour bien comprendre cet effet, il faut préalablement rappeler certaines lois de la physique. La première est la loi de Faraday, qui dit que tout matériau conducteur traversé par un champ magnétique génère des courants électriques sur sa surface, appelés courants de Foucault ou courants de Eddy. Ces courants circulent de manière circulaire, puisque les lignes de champ qui traversent le conducteur le font en ligne droite (ou quasiment droite, c’est comme le champ magnétique que génère une bobine, sauf qu’ici c’est le courant qui est généré par le champ magnétique). La deuxième loi est celle de Lenz, qui dit que les courants de Eddy génèrent eux-mêmes un champ magnétique qui s’oppose au champ magnétique qui les a originalement créées, repoussant ainsi le champ magnétique original. Cet effet, même si avéré pour tous les conducteurs, est difficilement observable. Cependant, dans un supraconducteur, les courants de Eddy ne sont pas soumis à aucune résistance électrique, et peuvent donc circuler infiniment sans perte d’énergie. Ceci intensifie le champ magnétique qu’ils génèrent, repoussant totalement le champ magnétique externe : c’est l’effet Meissner. Il faut spécifier cependant que les supraconducteurs de type I (généralement faits d’éléments purs) repoussent totalement les champs magnétiques qui les traversent s’ils sont suffisamment froids, ou ne les repoussent pas du tout s’ils ne le sont pas ; tandis que ceux de type II (généralement fait d’alliages de métaux ou de céramiques complexes comme l’YBaCuO) repoussent presque toutes les lignes de champ s’ils sont très froids, n’en laissant passer que quelques-unes à des températures plus hautes, et ne repoussent plus les champs magnétiques à des températures trop élevées (les deux types arrêtent de repousser les lignes de champ si l’intensité du champ magnétique est trop élevée). Enfin, cette caractéristique des supraconducteurs de type II (laisser passer une partie des lignes de champ) leur permet de réaliser ce qu’on appelle la lévitation quantique. Cela est le fait que le supraconducteur reste figé dans l’espace si on le place dans un champ magnétique, puisque les lignes de champ de l’aimant «attrapent » le supraconducteur, qui ne bouge pas car cela requerrait trop d’énergie, et le supraconducteur cherche, comme tout autre système, à être dans l’état énergétique le plus bas. Les supraconducteurs de types I ne peuvent pas réaliser la lévitation quantique car ils ne peuvent pas laisser passer une partie des lignes de champ : soit ils les repoussent toutes, soit aucune. Des schémas qui illustrent cette situation se trouvent dans les pages suivantes. 5 *YBaCuO = Yttrium-Barium-Copper-Oxyde noté également YBCO 6 Un supraconducteur de type II peut se figer dans un champ magnétique, et puis dans cet état se déplacer s'il se trouve dans un flux magnétique continu. Cependant, si le flux n'est pas continu, il y aura des inconvénients, car le supraconducteur restera dans un seul champ et ne pourra pas aller à un autre. Pour éviter cela on utilise des aimants Ne-Fe-B, tous pareils, évitant ainsi des imperfections dans le flux magnétique. Ces aimants sont polarisés à travers leur épaisseur, ce qui donnera alors un circuit qui aura 2 pôles différents. Pour cela, on aura besoin de placer les aimants Sud-Nord-Sud (en parlant de la largeur du circuit, qui est de 3 aimants), puis de placer les suivants de la même forme et ainsi de suite, ou de les inverser (les placer tous Nord-Sud-Nord…), tout ceci pour obtenir un arrangement des polarités qui produit un champ magnétique gradient (c’est un champ qui varie intensément). Ce placement des aimants génère alors un champ duquel le supraconducteur ne va pas pouvoir sortir vers les côtés, puisqu’il est fixé à cause de l'effet Meissner et le placement des aimants. Ce placement est alors très important dans la fabrication du rail car il génère un flux magnétique en dessus des aimants. De même, à cause de ce champ, le supraconducteur ne va pas varier sa position vers les côtés même s'il y a un virage lorsqu'il est figé (car pour le supraconducteur il n'y a pas de virage, seulement un champ magnétique qui continue). 7 Mais alors, pourquoi est-ce que le supraconducteur peut se déplacer le long du rail d’aimants si antérieurement on avait vu qu’il reste fixe dans l´espace lorsqu’il est en présence d’un champ magnétique ? Ceci se doit à que le champ magnétique est le même tout le long du rail, alors tant que le supraconducteur reste dans le même « chemin » magnétique les lignes du champ à l’intérieur restent les mêmes. Analysons ceci depuis une autre perspective : imaginons qu’on puisse savoir la configuration exacte des lignes de champ à l’intérieur du supraconducteur à n’importe quel point tout le long des rails ; serait-il possible de différentier entre les configurations le long des rails, supposant qu’ils sont tous à la même hauteur ? Non, puisque le champ est toujours le même. 8 II. Applications de la supraconductivité Le grand avantage de ce phénomène est que lorsqu’un matériau est dans un état de supraconductivité, un courant électrique peut le traverser sans perdre de l’énergie (puisque la résistance électrique du matériau est nulle), ce qui ouvre de nombreuses perspectives d’applications. Cependant, certaines conditions sont nécessaires pour pouvoir le maintenir dans cet état: la température du matériau doit rester en dessous du point de supraconductivité, le matériau ne doit pas changer de composition et le courant électrique qui le traverse ne doit pas être trop fort. Néanmoins, dans la pratique, ces deux derniers critères sont assez difficiles à maintenir. Toutefois, il y a actuellement plusieurs applications qui se sont développées ou qui sont en cours de développement. A. Applications de la résistance électrique presque nulle On peut transférer un courant électrique énorme à travers un supraconducteur en ne perdant que très peu d'énergie sous forme de chaleur. Ceci permet de les utiliser pour la fabrication d’électroaimants très puissants, beaucoup plus puissants qu’ils le seraient avec un conducteur normal. Le champ magnétique que produisent ces électroaimants devient donc très fort. Ces forts champs magnétiques sont nécessaires, par exemple, pour les machines d’imagerie à résonance magnétique (IRM), ou encore pour le grand collisionneur d’hadrons (LHC). De même, l’absence de dissipation d’énergie fait des supraconducteurs un moyen très efficace pour aider à stocker l’électricité. Ceci est cependant encore en développement. 9 Par ailleurs, on peut évidemment utiliser des supraconducteurs pour créer des câbles et transférer de grandes quantités d’électricité entre centrales électriques en minimisant les pertes énergétiques. Enfin, les supraconducteurs sont aussi utilisés dans la fabrication de SQUIDs (de l’anglais, Superconducting Quantum Interference Devices, en français Dispositifs supraconducteurs à interférence quantique), qui sont des magnétomètres capables de mesurer des champs magnétiques très faibles, en arrivant même jusqu’à 5 aT (5×10-18 T). Système « LT SQUID MEG » fournit des mappages sophistiqués de l'activité cérébrale B. Applications de l’effet Meissner En Octobre 2011, le scientifique Boaz Almog de l'université Tel Aviv en Israel, lors de la conférence TED, démontra comment un disque supraconducteur peut être attrapé dans un champ magnétique et léviter au-dessus de celui-ci. Il appela ce phénomène "quantum levitation" ou l'effet MEISSNER. Sa démonstration fut réalisée à l'aide d'un disque supraconducteur de 7 centimètres de diamètre et 0.5 micromètres d'épaisseur. Celui-ci pouvait « soulever 70 000 fois son poids » (donc, soulever les matériaux du disque destinés à le protéger n’était pas un problème). « Imaginez-vous, dit-il, que j'avais un disque similaire à celui que je soutiens dans ma main, avec une seule différence : la couche supraconductrice étant de 2 millimètres au lieu de 0.5 micromètres. Cette mince couche supraconductrice pourrait soulever mille kilogrammes, l'équivalent à une petite voiture, dans ma main! ». On peut donc voir que l’effet Meissner pourrait être utilisé pour soulever et transporter des objets très lourds et peu maniables avec des supraconducteurs légers et maniables. 10 Boaz Almog lors de la Conférence TED en octobre 2011. Il démontra l’effet Meissner et présenta les possibles utilisations des caractéristiques des supraconducteurs Nous avons eu l’honneur d’échanger avec ce scientifique qui nous a fournis des précieuses informations, notamment un article scientifique intitulé « European roadmap on superconductive electronics – status and perspectives » (voir bibliographie). III. Expériences et démarche A. Expériences Expérience 1 : démonstration de l’effet Meissner Pour cette démonstration, on utilisera le kit de supraconductivité fourni par Arbor Scientifics et le lycée, qui contient un disque de céramique supraconducteur (ou YBaCuO: "yttrium barium copper oxyde", un matériau qui entre en état de supraconductivité à l'aide d'azote liquide), un aimant au néodyme, des pinces à basse température en plastique, une boîte de Pétri, un thermos, une paire des lunettes de sécurité, et un pair de gants en cuir. De même, on devra se procurer d’un litre d'azote liquide, et le transférer du stockage au thermos du kit. Avant de commencer, on protège le supraconducteur avec un plastique (afin d’éviter que, lorsqu’on aura terminé l’expérience et que le supraconducteur aura retourné à température ambiante, l’eau se condense dans le supraconducteur et termine par le briser), et on le dépose sur la boite de pétri. Ensuite, on verse lentement l'azote liquide sur le supraconducteur et quand celui-ci atteint le point de supraconductivité, on place l'aimant sur l’YBaCuO. 11 On pourra voir comment l'aimant sera repoussé de la surface du supraconducteur, et continuera à flotter sur celui-ci tant que la température du YBaCuO reste en dessous du point de supraconductivité, soit 94K. On pourra donc observer clairement de l’effet Meissner. Expérience 2 : Hauteur de lévitation Après avoir fait la première expérience et avoir vu l’effet Meissner, on a décidé d’observer cet effet d’une autre manière : cette fois-ci, l’aimant serait le support, et le supraconducteur serait celui qui « flotte ». Les aimants utilisés dans cette expérience sont appelés Nd-Fe-B. Pour commencer, on a mesuré la hauteur de lévitation (ou plus précisément la hauteur à laquelle se fixait le supraconducteur dans l’espace) quand il était enveloppé dans différents matériaux (qui sont pour la plupart des isolants thermiques). Voici un tableau qui regroupe nos résultats : Hauteur de lévitation (en mm) 3,9 3,1 Pas visible Pas visible 2,9 Matériau qui enveloppe le supraconducteur Aucun Plastique Mousse florale Polystyrène Scotch Les résultats de l’expérience ont été assez intéressants. On découvrit que quand le supraconducteur est enveloppé dans un des matériaux utilisés la lévitation devient moins forte, ou moins visible (à cause de l’épaisseur du matériau combiné avec celle du supraconducteur). Plus spécifiquement, sans matériau on pouvait la voir plutôt bien ; avec du plastique ou du scotch il devenait plus difficile de voir si le supraconducteur lévitait ou non ; et avec de la mousse florale ou du polystyrène on ne pouvait pas observer la lévitation puisque ces deux matériaux étaient beaucoup trop épais. Il paraissait cependant que la hauteur de lévitation du supraconducteur (sans prendre en compte le matériau qui l’enveloppe) ne variait pas beaucoup quand on changeait le matériau. 12 Pour déterminer les hauteurs de lévitation, on a pris des photos du supraconducteur sur les aimants avec une règle à côté, et ensuite on a utilisé le logiciel Regavi pour déterminer les hauteurs de lévitation. Image de l’utilisation du logiciel Regavi pour déterminer la hauteur de lévitation quand le supraconducteur n’était pas enveloppé. Expérience 3 : Temps de lévitation De manière conjointe à la dernière expérience, on a aussi chronométré la durée de lévitation du supraconducteur, qui arrête de flotter quand il se réchauffe trop puisqu’il perd sa supraconductivité. Ceci nous montra lequel des matériaux était le meilleur isolant thermique. Pour déterminer cela, avant l’expérience, on a cherché lequel des matériaux semblerait être le meilleur, et on a trouvé une unité qui mesure la vitesse avec laquelle la chaleur passe d’un objet à un autre : la conductivité thermique. Celle-ci évidemment varie selon les différents matériaux, et est exprimée en Watts par mètre par Kelvin (W.m-1.K-1). On a donc cherché la conductivité thermique de chacun de nos matériaux, et on a rapproché ceci avec les résultats de l’expérience. Voici un tableau qui regroupe nos résultats : Temps de Lévitation secondes) 31,6 - 34,4 - 32,9 13,2 - 19,4 Pas visible Pas visible 57.3 - 61.7 - 69 (en Matériaux qui enveloppent le supraconducteur Aucun Plastique Mousse Florale Polystyrène Scotch Conductivité thermique des matériaux (W.m-1.K-1) 1.06 0.033 Dans le tableau, la première valeur du temps de lévitation est pour une couche d’aimants ayant pour épaisseur un seul aimant, la deuxième est pour une couche d’aimants ayant pour épaisseur deux aimants, et la troisième est pour une épaisseur de cinq aimants. 13 Pour cette expérience on a vu que le supraconducteur lévitait plus longtemps s’il était enveloppé par du scotch. Quand il n’était pas enveloppé, il lévitait pendant environ la moitié du temps que pour le scotch ; et quand il était enveloppé par du plastique il lévitait pendant environ le quart du temps. En ce qui concerne les autres deux matériaux, on n’a pas pu déterminer le temps de lévitation à cause du problème décrit précédemment (on ne pouvait pas voir s’il lévitait ou non à cause de leur épaisseur). Cependant, on s’est rendu compte que quand le supraconducteur était enveloppé dans n’importe quel matériau, il prenait plus de temps à refroidir, puisque les matériaux sont tous des isolants thermiques. Ceci aurait donc peut-être affecté nos résultats, surtout pour le plastique, car on a refroidi le supraconducteur pendant la même quantité de temps pour tous les matériaux, sans prendre en compte le fait que pour certains il fallait refroidir pendant plus de temps pour avoir les meilleurs résultats. De même, on a pu observer que même si on augmentait le nombre d’aimants qui se trouvaient sous le supraconducteur, on avait des résultats similaires. Expérience 4 : Première tentative de circuit Enfin, on a créé un circuit ou « track » d’aimants sur lequel le supraconducteur serait capable de circuler en « glissant » au-dessus de ces aimants. Voici une image du track : Voici un tableau comparatif pour illustrer nos observations : Observations sur le comportement dans le track Pas de glissement Pas de glissement Pas de glissement Pas de glissement Pas de glissement Pas de glissement Matériau qui enveloppe le supraconducteur Aucun Plastique Mousse florale Fibre de verre Polystyrène Scotch Cette expérience n’a pas tout à fait fonctionné. On effet, quand on mettait le supraconducteur sur le track, il ne glissait pas comme il est normalement sensé le faire, 14 et restait suspendu en une seule place même si on le poussait. A partir de cette observation on a dû trouver une explication logique. On a donc formulé une hypothèse : si les aimants sont trop séparés, le flux magnétique arrête d’être continu, et donc l’aimant devient incapable de glisser sur le track. A cause de cela, on a essayé ensuite avec un track linéaire, puisque maintenir les aimants collés les uns aux autres est plus difficile pour le circulaire. Cependant, les aimants continuaient à se séparer (à cause des polarités, puisque afin de créer un flux magnétique continu, il est nécessaire d’enchaîner des aimants du même pole), même si les séparations entre les aimants étaient très petites, elles suffisaient pour interrompre le flux magnétique des rails et faire tomber le supraconducteur. On a alors essayé de les maintenir ensembles dans un nouveau track. Expérience 5 : Le nouveau « track » 1. Conception Pour ce nouveau track, l’objectif était de pouvoir maintenir les aimants collés les uns aux autres malgré le fait qu’ils se repoussent. Pour faire ceci, on utilisa des pièces de bois coupées en forme de pavé droit pour bloquer le mouvement des aimants vers les côtés. En effet, quand on les poussait trop, ils tendaient à bouger vers un des côtés et à se coller entre eux. Une fois qu’on arriva à éviter cela, on devait les coller entre eux, ce qui fut assez simple : on les poussa jusqu’à ce qu’il n’y ait plus de séparation entre eux, puis on utilisa des petites cales de bois pour les maintenir dans cette position. On a inclus de même, à une extrémité, un système de freinage qui est constitué d’un groupe de trois aimants placés à l’inverse des autres groupes (au lieu d’être Sud-Nord-Sud, il est Nord-Sud-Nord), ce qui provoque que le flux magnétique ne soit plus continu. Le supraconducteur a donc besoin de moins d’énergie pour arrêter son mouvement que pour rentrer dans le champ magnétique des aimants de l’extrémité (puisque c’est un champ différent), ce qui le fait s’arrêter au lieu de continuer son chemin. Il y a à gauche une image du nouveau track, qui, contrairement au track précédent, a fonctionné parfaitement (L’unique essai a été réalisé que le jour de la sélection et fut concluant). Dans ce track, tous les aimants consécutifs se repoussent, mais les aimants de chaque groupe de trois au contraire s’attirent. 2. Mesures effectuées 15 Profil magnétique d’une section de rail composée de trois aimants X2 (10-3 m) Ce graphique présente l’intensité du champ magnétique en fonction de la position sur les aimants. On peut observer une claire différence entre les deux aimants des côtés, qui ont leurs pôles sud vers le haut, et celui du centre, qui a son pôle nord vers le haut. B. Possibles applications avec de suffisantes ressources : train à base de supraconducteurs Théoriquement, avec un supraconducteur extrêmement pur, on peut faire "léviter" approximativement 1 tonne de matière avec une couche de 2 mm de supraconducteur dans un disque de 3 cm de diamètre, évidemment avec un aimant suffisamment puissant. De même on a vu qu'un supraconducteur peut se déplacer dans un flux magnétique sans aucune friction, sauf celle de l'air. On pourrait alors appliquer cela au domaine des transports. On pourrait placer une couche supraconductrice en dessous de chaque wagon du train, avec un système de refroidissement et des rails magnétiques faits avec des aimants de néodyme, ou même avec des électroaimants dont on pourrait changer la puissance selon les besoins du train. Grâce aux caractéristiques de la supraconductivité, ce train dépenserait la plupart de l'énergie fournie en refroidissement, et non pas en déplacement, car se déplacer serait très facile: même avec une turbine simple le train se déplacerait sans beaucoup de problèmes. De même pour le freinage, avec une turbine dans le sens contraire on diminuerait la vitesse, et une fois que la vitesse aura diminué le train peut finir le freinage par des pièces en caoutchouc qui donneraient la friction nécessaire pour arrêter le train. Les virages sont la seule « difficulté » qu’on peut s’imaginer, car à une vitesse trop haute le train sortirait des « rails », cependant on pourrait placer des simples garde-corps pour éviter cela. Ce train théorique est alors quelque chose d'imaginaire, mais très satisfaisant, avec une seule contrainte : le refroidissement. 16 C. Démarche du groupe En cherchant des thèmes intéressants pour le TPE, on est tombé sur le plus grand accélérateur de particules du monde, le « Large Hadron Collider », qui mesure 26,659 km et qui se trouve à la frontière Franco-Suisse. Celui-ci a pour objectif d’apporter des réponses à beaucoup d’énigmes sur la physique de particules et la cosmologie. L’explication de son fonctionnement parlait des supraconducteurs, on a donc recherché plus par curiosité, et ce qu’on a trouvé nous a impressionné beaucoup et nous a fait nous décider pour ce thème. La première vidéo qu’on a vue montrait la lévitation d’un supraconducteur sur un aimant. On a donc orienté nôtres recherches dans le but de reproduire cette expérience. On a retrouvé tout ce dont on avait besoin sur internet : le thermos spécial pour contenir l’azote liquide était fourni par l’entreprise Praixair, qu’on a pu contacter ici au Costa Rica ; pour le reste on a trouvé un kit de démonstration pédagogique à un prix accessible pour notre budget sur le site officiel d’Arbor Scientifics contenant le supraconducteur YBaCuO et un petit aimant de néodyme (utilisé pour réaliser l’expérience de la ‘’lévitation’’). Quant aux aimants du rail, ils ont été fournis par le site Radial Magnets. L’expérience qui sert à la démonstration de l’effet Meissner fut un succès. On a parvenu à « léviter » un petit aimant de néodyme sur un supraconducteur refroidi à l’azote liquide. Pour réaliser l’expérience du train Maglev (Celui où le supraconducteur ‘’glisse’’ sur un circuit fait d’aimants) on a voulu, en un premier temps, construire un circuit avec un électroaimant et une barre en fer d’un mètre de long, environ trois centimètres de large et trois millimètres d’épaisseur, enroulée d’un fil de cuivre. 17 Ce système n’a pas fonctionné du tout. En effet, on a découvert plus tard que les électroaimants ne créent un flux magnétique en ligne droite que lorsqu’ils ont une forme cylindrique. La première figure illustre les lignes de champ du champ magnétique produites par un courant électrique traversant un câble enroulé comme un cylindre. Dans la deuxième figure le cylindre noir et le fil de cuivre sont traversés par un courant électrique. La ligne rouge est une ligne de champ du champ magnétique droit qui est produit par l’électroaimant. Or notre barre, ayant une forme rectangulaire, ne pouvait pas nous servir pour l’expérience. L’autre erreur qu’on a commise à propos de notre idée de l’électroaimant est en relation avec le besoin d’un courant très important, hors de nos ressources et de celles du lycée, pour générer un champ magnétique assez puissant. Au Costa Rica, il est plus difficile de se procurer des aimants puissants dans des buts de recherche et développement. Nos essais suivants ont donc été réalisés avec des aimants de haut-parleurs, qui se sont avérés être aussi inutilisables à cause de leur champ magnétique trop faible. Il est devenu donc évident qu’on avait besoin d’aimants les plus puissants. On a parvenu à contacter deux chercheurs en dehors de notre lycée pour qu’ils nous apportent des informations et des conseils sur nôtres expériences. Le premier fut le professeur Neville Clark de l’Université du Costa Rica. Le deuxième avec lequel on a parvenu à établir un contact fut le docteur Boaz Almog de l’université de Tel-Aviv, en Israel. Celui-ci dirige une investigation très importante sur les supraconducteurs, il présenta ce phénomène en octobre 2011 comme une nouvelle technologie lors de la conférence de TED. 18 Il nous a éclairés sur les problèmes de nos aimants et nous recommanda les aimants de Néodyme-Fer-Bore N50. Il nous donna aussi des informations sur les possibles applications futures des supraconducteurs en Europe. Nous avons donc commandé 100 aimants de Néodyme-Fer-Bore N50 afin de construire les rails du circuit. La partie « Expériences » contient les expériences qu’on a réalisées et leur résultats. 19 Bibliographie Boaz Almog présente les supraconducteurs lors de la conférence TED, octobre 2011 : http://www.ted.com/talks/boaz_almog_levitates_a_superconductor.html “European roadmap on superconductive electronics – status and perspectives” S. Anders , M.G. Blamire , F.-Im. Buchholz , D.-G. Crété , R. Cristiano , P. Febvre , L. Fritzsch , A. Herr ,E. Il’ichev , J. Kohlmann , J. Kunert , H.-G. Meyer , J. Niemeyer , T. Ortlepp , H. Rogalla , T. Schurig ,M. Siegel , R. Stolz , E. Tarte , H.J.M.ter Brake , H. Toepfer, J.-C. Villegier , A.M. Zagoskin , A.B. Zorin (S. Anders et al., Physica C (2010), doi:10.1016/j.physc.2010.07.005) “A Classroom Demonstration of Levitation and Suspension of a Superconductor over a Magnetic Track” Charles P. Strehlow and M. C. Sullivan_ Department of Physics, Ithaca College, Ithaca NY 14850(Dated: March 21, 2008) Documents adjoints au kit de supraconductivité d’Arbor Scientifics Vidéo sur la supraconductivité sur Youtube : http://www.youtube.com/watch?v=fuloQcljFOs&feature=player_embedded Article sur la supraconductivité (en anglais) : http://www.qudev.ethz.ch/phys4/studentspresentations/supercond/Ford_The_rise_of _SC_6_7.pdf Annexes Animation Java sur les champs magnétiques : http://www.falstad.com/vector3dm/ 20
