Comme sur des rails - Olympiades de Physique

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Réalisé par Daniel Carazo, Rolando Cruz et
Jude Jbara
Professeur encadrant : Florent Quiquerez
Lycée Franco-Costaricien
Costa Rica
Olympiades de Physique en France, XXème édition
Supraconductivité – Comme sur des rails

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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

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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.

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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:

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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, Etats-
Unis, a obtenu la supraconductivité à 94.15 K, (une température qui peut être
maintenue facilement à l'aide d'azote liquide).