Mémoire
publicité
TRIVERY Mélanie RICO Marjorie RUBIO Thibaut LA SUPRACONDUCTIVITE 1er semestre MI / MIP - 2005 -1- RESUME La supraconductivité est un phénomène observable sur certains métaux, à basse température, dans lesquels le courant circule sans aucune résistivité. Les matériaux supraconducteurs ont également la particularité d’exclure toute ligne de champ magnétique. Au fil de ce siècle, aucune théorie précise n’a démontré ce phénomène. Il y a eu plusieurs interprétations, où ce dernier était considéré comme cantonné en dessous d’une limite de température infranchissable. Ainsi, la théorie à l’ordre du jour est la théorie BCS, mais elle ne résout qu’une partie du problème. Les supraconducteurs possèdent plusieurs propriétés, telles que l’effet Meissner qui met l’accent sur leur diamagnétisme, et l’effet Josephson qui démontre le fait qu’un courant peut traverser une barrière isolante entre deux supraconducteurs. Le phénomène de la supraconductivité ne peut s’obtenir qu’à basse température, et plus le champ magnétique appliqué à un supraconducteur est intense, plus le matériau perd sa supraconductivité pour des courants faibles. Il existe deux sortes de matériaux supraconducteurs. Le premier a toujours un comportement supraconducteur à basse température, c’est donc pour cela qu’il est le seul où l’effet Meissner est observable. Chez le second, plus complexe, une dissipation d’énergie et une résistance y sont observées. L’intérêt technologique des supraconducteurs dans notre vie quotidienne est indéniable. En effet les systèmes actuels ont plusieurs limites : ils sont contraignants par leur poids et leur encombrement, leurs conducteurs chauffent. Nous voyons donc l’intérêt de l’utilisation de machines supraconductrices pour contourner ces obstacles. De plus, ils ont un avantage sur le plan économique et environnemental. On note toutefois que les supraconducteurs nécessitent encore une température très faible. Il n’en reste pas moins que les scientifiques leur ont trouvé des applications très diversifiées dans le domaine de l’environnement, de la médecine et de l’électronique. ABSTRACT At low temperature, superconductivity is observable in some metals, in which a current flows without resistivity. Superconductor materials have also the particularity of expelling any line of an external magnetic field. Through this century, no theory has totally proved this phenomenon. There has been some interpretations which considered it couldn't exist beyond a limited low temperature. Nowadays, researchers are working on the BCS theory, but it doesn't solve the whole problem. Superconductors have many properties, as the Meissner effect which stresses on their diamagnetism, and the Josephson effect which demonstrates that a current can flow through -2- an isolant, between two superconductors. The phenomenon of superconductivity can only exist at low temperature and the more intense the magnetic field is, the more the superconductor loses its superconductivity for lower intensities. We can distinguish two sorts of superconductors. The first always has a superconductor behaviour at low temperature, that's why we can apply the Meissner effect on it. The second, more complex, dissipates energy and internal resistivity can be observed. The technological interest of superconductors in our daily life can't be denied. Indeed, nowadays the existing systems have limits: they are heavy, bulky, and their conductors warm. Using superconductors leads to an economical and environmental advantages. Nevertheless, we notice that superconductors need lower temperature. However, scientists have found various applications as for environment, medicine and electronics. -3- Sommaire Introduction.................................................................................................................................2 Définition de la supraconductivité.............................................................................................. 3 Historique des supraconducteurs................................................................................................ 3 Avant 1986 .............................................................................................................................3 L’année 1986...........................................................................................................................4 Apres 1986.............................................................................................................................. 4 Les propriétés d’un supraconducteur.......................................................................................... 5 L’effet Meissner......................................................................................................................5 La Théorie BCS...................................................................................................................... 6 L’effet Josephson.................................................................................................................... 7 Les paramètres critiques des supraconducteurs.......................................................................... 8 La température critique d’un supraconducteur....................................................................... 8 Le courant critique d’un supraconducteur.............................................................................. 9 Le champ magnétique critique appliqué à un supraconducteur.............................................. 9 Les différents types de supraconducteurs................................................................................. 10 Supraconducteur de type I.....................................................................................................10 Supraconducteurs de type II..................................................................................................11 Les applications de la supraconductivité, réalisations et projets...............................................13 Dans le domaine de l’environnement....................................................................................13 Les électro-aimants............................................................................................................... 14 Les transports........................................................................................................................ 15 Transport du courant............................................................................................................. 17 Le domaine médical.............................................................................................................. 18 L’accélérateur de particules.................................................................................................. 20 Electronique ...............................................................................................................................................21 Conservation de l’énergie..................................................................................................... 21 Le confinement magnétique et le Tokamak.......................................................................... 21 Avantages..............................................................................................................................23 Inconvénients........................................................................................................................ 24 Conclusion................................................................................................................................ 24 Bibliographie.............................................................................................................................25 -4- Introduction Découverte depuis presque un siècle, la supraconductivité est un phénomène qui est à l’ordre du jour. Nombre de chercheurs travaillent actuellement sur ce phénomène encore basé sur des théories puissantes, mais instables et qui ne cessent d’évoluer voire de se contredire. On peut donc se demander : La supraconductivité : quel phénomène scientifique ? Dans un premier temps, nous définirons la supraconductivité, son histoire et ses généralités. Dans un deuxième temps, nous étudierons les principes de base de la supraconductivité. Enfin, nous analyserons les diverses applications et projets plus ou moins concrets de ce phénomène. -5- Définition de la supraconductivité La supraconductivité est la propriété que possèdent certains matériaux à ne s’opposer au passage du courant, c'est-à-dire à avoir une résistance nulle, à condition que leur température soit inférieure à une certaine valeur appelée température critique (Tc). Ces matériaux s’opposent également aux champs magnétiques externes. Ce phénomène a lieu à des températures très basses. Les courants électriques peuvent donc circuler à travers un métal sans aucune dissipation d’énergie. Historique des supraconducteurs Ce phénomène, qui a été découvert en 1911, a connu plusieurs périodes correspondant aux divers axes de recherche. On peut dégager deux étapes cruciales : avant et après 1986. Avant 1986 1908 : Première liquéfaction de l’hélium atteignant la plus basse des températures connues : 4,2K, ce qui est équivalent à -269°C dans le laboratoire du physicien hollandais ONNES. 1911 : Un élève de ce laboratoire travaillant sur l’étude de la résistivité du mercure à la température de liquéfaction de l’hélium, découvrit que celle-ci s’annulait en dessous de 4,15K. Une liste des éléments simples supraconducteurs très vite établie : On s’aperçut que tous les éléments n’étaient pas supraconducteurs, et que l’Or, l’Argent et le Cuivre, considérés comme les meilleurs métaux, ne présentaient aucune trace de supraconductivité. A cette époque, l’élément simple possédant la plus haute température critique était le niobium avec 9.2K. Les chercheurs tentèrent alors de trouver des alliages à plus haute température critique, à base de niobium. En 1933, Meissner et Oschenfeld découvrirent la propriété d’un barreau de métal pur à être imperméable à tout champ magnétique, que l’on appelle depuis l’effet Meissner. (Expliqué dans II). Puisque aucune théorie n’était établie pour ce nouveau phénomène, les chercheurs ne suivaient aucunes règles et jouaient donc en quelques sortes avec les atomes. Par conséquent, les échantillons obtenus n’étaient pas toujours supraconducteurs ; mais quand la chance était présente, cela permettait de trouver des températures plus basses que d’ordinaire. On atteignait 0,7K pour le titanate de strontium dopé au niobium, franchissant la barre du dixième de Kelvin. D’ailleurs, le nitrure de niobium (NbN) avec 17,3K et Nb3GE avec 23,3 K a détenu le record des meilleurs alliages jusqu’en 1986. Cependant, toutes les directions susceptibles d’apporter des réponses étaient prises en compte afin de trouver un fil conducteur qui permettrait de poser les bases d’une théorie. Certains finissaient par croire que ce phénomène était cantonné en dessous d’une limite de température infranchissable. Une autre question qu’on se posait à cette époque était de savoir d’où provenait ce phénomène, qu’aucune théorie ne savait expliquer. Entre 1935 et 1952, plusieurs théories assez puissantes ont été proposées par LONDON, GINZBURG et LANDAU, mais elles étaient incomplètes. -6- En 1957, une partie de la réponse fut donnée par la théorie BCS (expliqué dans II), mise au point par BARDEEN, COOPER et SCHRIEFFER, expliquant une théorie pouvant décrire le phénomène au niveau microscopique, alors que la découverte de celui-ci datait déjà de 45 ans. Par conséquent, ses auteurs ont reçu le prix Nobel en 1974. L’année 1986 Ce fut une année charnière dans l’histoire des supraconducteurs, car c’est à ce moment-là que la théorie BCS fut remise en cause, avec la découverte d’un supraconducteur à 34K qu’avaient fait les ingénieurs d’IBM Zurich (Suisse), alors que celle-ci prédisait de ne pas dépasser 30K. Neuf mois plus tard, on le découvrit à 92K. Cette année fut un tournant car de nouveaux composés ont été découverts : des oxydes métalliques céramiques contenant des lanthanides. Par conséquent, de nouvelles générations de composés apparurent tels que BaLa-Cu-O, Y-Ba-Cu-O et Ti-Sr-Ca-Cu-O*. Les deux derniers permettent de dépasser la température de l’azote liquide (77K, soit -196°C) coûtant dix fois moins cher que l’hélium liquide et refroidissant vingt fois mieux. Apres 1986 Cette découverte déclencha une course aux supraconducteurs à « haute température critique ». En 1988, on parvint à fabriquer des supraconducteurs à plus de 100K. En 1995, le record de température critique reproductible fut atteint avec des composés au mercure à une température de 164K mais nécessitant de hautes pressions. On ne désespère pas d’obtenir un jour des supraconducteurs à la température ambiante. Ci-dessous un graphique d’évolution des températures critique de supraconducteurs en fonction des années : (d) -7- L’évolution scientifique du phénomène supraconducteur : 1908 : Liquéfaction de l'hélium (4,2 K soit -269 °C) par Kamerlingh ONNES. 1911 : Kamerlingh ONNES découvre la supraconductivité en proposant à G. HOLST de mesurer la résistivité du mercure à très basse température. 1913 : Echec du premier aimant supraconducteur. 1933 : Mise en évidence du diamagnétisme des supraconducteurs (MEISSNER et OCHSENFELD). 1954 : Premier aimant supraconducteur (Nb) qui fonctionna (0,71 Tesla (T) à 4,2 K). 1957 : Théorie microscopique BCS de la supraconductivité (BARDEEN, COOPER et SCHIEFFER). 1958 : Mise au point de conducteurs de type II en NbTi et Nb 3 Sn. 1960 : Découverte des fortes densités de courant sous induction élevée (Nb 3 Sn). 1962 : B. JOSEPHSON prédit les effets quantiques qui portent son nom et qui sont utilisés en détection ultrasensible de champ magnétique. 1964 : Première application significative des supraconducteurs : chambre à bulles1 d'Argon (2,5 T dans plusieurs m3). 1965 : Premiers cryoalternateurs. 1968 : Définition du brin multi filamentaire par le laboratoire Rutherford. 1974 : Mise en service de la plus puissante chambre à bulles au CERN (830 MJ). 1982 : Premières images IRM, elles assureront à la supraconductivité sa première application industrielle et commerciale. 1983 : mise au point des brins multi filamentaires alternatifs. Premier accélérateur supraconducteur. 1986 : BEDNORZ et MÜLLER découvrent la supraconductivité dans de nouveaux oxydes. 1995 : Record reproductible à 164 K (-109 °C). Les propriétés d’un supraconducteur L’effet Meissner Lorsqu’un supraconducteur est placé dans un champ magnétique, ce premier possède alors la particularité de dévier les lignes du champ magnétique hors du matériau. En fait, lorsqu’il est soumis à un champ magnétique, un supraconducteur crée des courants à sa surface, qui produisent un champ magnétique qui s’oppose au passage du champ magnétique qu’on lui soumet. On dit que le supraconducteur devient diamagnétique. 1 C'est un appareil qui permet la détection des trajectoires des particules qui la traverse. Ces particules créent dans la chambre une traînée de "bulles", d'où son nom. -8- (b) Non supraconducteur Supraconducteur Pour illustrer cette théorie, on peut placer un aimant au-dessus d’un supraconducteur, et observer que l’aimant se trouve en lévitation au-dessus du supraconducteur. (b) La Théorie BCS La théorie BCS décrit la supraconductivité comme un phénomène quantique. Elle est basée sur le couplage des électrons dans certains métaux. En effet, dans les métaux dits en paire, les électrons se déplacent deux à deux, c’est ce que l’on appelle les paires de cooper. Elles obéissent au principe de l’interaction phonon-électron : Lorsqu’un électron traverse un réseau d’ions positifs, ceux-ci attirent d’abord le premier électron. Une fois passé, cet électron va modifier la position de ce réseau, mais très légèrement étant donné la grande inertie des ions, et de telle façon que, localement, le métal va être chargé positivement durant un certain temps, ce qui va permettre d’attirer un autre électron, qui va alors se trouver proche du premier électron, malgré la répulsion coulombienne entre ces deux particules de charge négative, étant alors trop faible pour les éloigner. On observe donc un phénomène de couplage des électrons, car le premier électron émet un phonon, qui va être absorbé par le second, et ainsi de suite… (c) Lorsque la température est élevée, les ions du matériau sont alors en mouvement, s’agitent, et l’équilibre est alors rompu et les paires de Cooper disparaissent. -9- La théorie BCS explique bien qu’à basse température, les électrons ne subissent aucune dissipation d’énergie par effet Joules car ils ne rencontrent aucun obstacle, étant donné que le premier électron fraie un chemin au second qui se trouve aspiré, sans frottement contre les particules du matériaux, ce qui n’est évidemment pas le cas lorsque ces dernières sont agitées. La théorie BCS ne s’applique donc qu’à des matériaux étant supraconducteurs à basse température (jusqu’à 30K). (c) L’effet Josephson Cet effet, observable à basse température, est une conséquence de la supraconductivité. Si on sépare deux matériaux supraconducteurs par une mince couche d’isolant (de l’oxyde par exemple), alors on constate qu’un courant électrique continu peut circuler librement entre les deux supraconducteurs, traversant l’isolant. Cet effet est dû aux paires de Cooper (cf. la théorie BCS) qui passent d’un supraconducteur à l’autre par effet Tunnel (processus purement quantique). Le matériau non conducteur, appelé jonction Josephson, se comporte alors comme un supraconducteur. (b) Cependant, cet effet possède des limites. En effet, le courant continu circulant entre les deux supraconducteurs doit être très faible pour que l’effet Tunnel soit observé. Si le courant que l’on fait circuler est supérieur au courant critique, alors la jonction Josephson se comporte comme un obstacle, et la résistance, jusqu’à présent nulle, devient très importante. Lorsqu’un courant alternatif circule entre les deux supraconducteurs, le courant circulant dans la jonction Josephson oscille à une fréquence qui ne dépend que de la tension u appliquée, à une constante près. On a alors l’expression de la fréquence des oscillations : f = (2e/h).u - 10 - Avec e la charge de l’électron et h la constante de planck. On peut également obtenir l’effet réciproque : si on soumet la jonction Josephson à un champ magnétique variable, alors on observe un courant alternatif de part et d’autre des deux supraconducteurs, vérifiant la même relation ci-dessus. Les paramètres critiques des supraconducteurs La température critique d’un supraconducteur La théorie BCS explique que lorsque le matériau est supraconducteur, c'est-à-dire à une température inférieure à la température critique, alors la résistance interne au matériau est nulle. Cependant, lorsqu’il atteint la température critique, alors on constate un état transitoire, dans lequel la résistance du supraconducteur va augmenter très vite pour un faible écart de température. Bien évidemment, lorsque la température du supraconducteur est supérieure à la température critique, alors il se comporte comme un simple conducteur ohmique, vérifiant la relation u=Ri. On peut tracer un graphique montrant l’évolution de la résistivité du supraconducteur en fonction de la température : - 11 - Résistivité (microohms) Résistivité en fonction de la température 350 300 250 200 150 100 50 0 70 80 90 100 110 Température (K) (k) Le courant critique d’un supraconducteur De même que la température, un supraconducteur ne peut supporter n’importe quel courant. Si le courant appliqué au supraconducteur est supérieur au courant critique, alors le matériau cesse d’être supraconducteur, il devient alors un conducteur ohmique et il vérifie u=Ri. Cela signifie que lorsqu’un supraconducteur est soumis à un courant inférieur au courant critique, alors, du fait qu’il est supraconducteur, sa résistance est nulle et donc la tension à ses bornes est nulle. Le champ magnétique critique appliqué à un supraconducteur Un champ magnétique appliqué à un supraconducteur provoque un abaissement du seuil de courant qu’il peut supporter dans son état supraconducteur. En effet, plus le champ magnétique appliqué au supraconducteur est fort, plus le courant critique du supraconducteur sera faible, c'est-à-dire que le matériaux perdra sa supraconductivité pour des courants d’autant plus faibles. u=f(i) pour différents champs magnétiques 7 Courant bobine = 0A Courant bobine = 0,5A Courant bobine = 0,75A Courant bobine = 1A Courant bobine = 1,5A Courant bobine = 2A Courant bobine = 2,5A Courant bobine = 3A 6 u (mV) 5 4 3 2 1 0 0 20 40 60 80 100 i (mA) (k) - 12 - Les différents types de supraconducteurs Dans l’histoire, les premiers supraconducteurs furent des métaux simples comme le mercure, plomb et aluminium. Dans les recherches qui poursuivirent, on montra que les matériaux étant supraconducteurs pouvaient être de natures diverses : métaux simples ou complexes, organiques ou non organiques, céramiques ou oxydes. Les différences se retrouvent au niveau de deux ou trois paramètres essentiels à la supraconductivité : - le courant critique Ic - le champ magnétique Hc En effet, au-delà d’une limite que fixent ces deux paramètres critiques, le matériau perd ses performances supraconductrices. Dès les premières expériences, les chercheurs ont observé que la supraconductivité est détruite par un champ externe élevé. Par conséquent, la température critique fut découverte comme un troisième facteur limitant. Ainsi, quand on trace le champ magnétique interne (l’induction) en fonction du champ magnétique externe B, les courbes donnent deux comportements différents et c’est ce qui permet de définir les deux types de supraconducteurs. Supraconducteur de type I (c) Ce qui caractérise les supraconducteurs de type I, c’est qu’ils ne possèdent qu’un seul champ critique Hc et que leur diamagnétisme est considéré comme « parfait ». En réalité, ils sont presque parfaits car l’induction magnétique2 pénètre sur une épaisseur 2 C’est un champs magnétique interne qui pénètre sur une épaisseur de de « tubes ». - 13 - , appelée longueur . Celle-ci pénètre dan un ensemble de London3, sur laquelle se développent des « supercourants » d’écrantage. est de l’ordre de quelques dizaine de nanomètres dans les supraconducteurs classiques. Ces derniers ne présentent aucune résistance au passage d’un courant (inférieure à Ic). Le diamagnétisme « parfait » de ces matériaux provoque l’effet Meissner. L’effet Meissner est une théorie qui permet à un corps parfaitement supraconducteur (donc de type I) de repousser tout champ magnétique extérieur, d’où un effet de lévitation possible. Le courant critique est celui qui crée le champ magnétique Hc, s’ajoutant au champ magnétique extérieur. Dans ce cas là, la répartition du courant n’est pas homogène et il circule uniquement en surface c'est-à-dire dans l’épaisseur de London. Le comportement d’un supraconducteur de type I est relativement simple, du fait de l’existence d’un seul champ critique. Par conséquent, seulement deux états sont possibles : - l’état supraconducteur avec l’effet Meissner. - l’état normal où le matériau retrouve une résistivité élevée. La dernière caractéristique est qu’un supraconducteur ne peut être soumis à une force de Lorentz4, car l’effet Meissner interdisant à tous champ magnétique de pénétrer, celui-ci ne peut en aucun cas participer à cette force-ci. Supraconducteurs de type II (c) Les caractéristiques de ces supraconducteurs de type II sont qu’ils possèdent : - Deux champs critiques Hc1 et Hc2. 3 C’est sur celle-ci que se développent des « supercourants » d’écrantage. Elle est de l’ordre de quelques dizaines de nanomètres. 4 - 14 - - Hc2 étant nettement plus élevé que le premier (de l’ordre de plusieurs centaines de milliers de Teslas). - Températures, champs et courants critiques plus élevés. La présence de deux valeurs critiques rend l’étude plus complexe. En effet, une troisième zone apparaît, celle de l’état mixte. Elle vient se rajouter aux zones supraconductrice et normale. La plus grande caractéristique de l’état mixte est que le diamagnétisme n’y est pas parfait car même si celui-ci est supraconducteur, un champ magnétique externe pénètre le matériau et par conséquent l’effet Meissner est détruit. On observe des points de passage de l’induction car la répartition n’est pas homogène. Par conséquent, celle-ci pénètre ponctuellement par un ensemble de « tubes » appelé vortex5. Il est la clé de l’état mixte car c’est lui qui permet la dissipation de l’énergie. Les supraconducteur de type II peuvent posséder une résistance au passage d’un courant (inférieur à Ic) car le cœur du vortex est à l’état normal, et par conséquent, les électrons normaux contenus dans celui-ci interagissent avec le milieu. En présence d’un champ magnétique extérieur, ces matériaux sont soumis à la force de Lorentz. Ces électrons en mouvement entraînent donc la variation des zones des vortex, ce qui dissipe l’énergie dans le matériau, et donc participe à son réchauffement. Dans certains cas, cette énergie est suffisante pour entraîner la disparition de la supraconductivité. Ceci met donc en évidence le troisième facteur limitant de la supraconductivité : le courant critique. Ic est le courant critique au-delà duquel la force de Lorentz est supérieure aux forces d’ancrage des vortex. Si la force de Lorentz l’emporte sur l’inertie des vortex, alors ceux-ci se mettent en mouvement, avec pour conséquence la dégradation de la supraconductivité du matériau. Pour éviter cet effet néfaste, les vortex doivent être piégés, c'est-à-dire qu’il faut les ancrer. Il suffit pour cela de minimiser leur charge. Or, nous savons qu’aucun matériau n’est parfait : il existe des imperfections (impuretés, inhomogénéité..) qui peuvent posséder des charges, et celles-ci nous serviront à ancrer les vortex. Leur efficacité est maximale lorsque leur taille est comparable à celle des vortex, soit . Les vortex en mouvement traversent des impuretés, qui minimisent donc leur énergie. Il n’est pas nécessaire d’ancrer tous les vortex, seuls quelques uns suffisent puisqu’ils forment un réseau triangulaire. On a alors un régime dans lequel ils forment un cristal. Lorsque le courant dépasse la valeur critique Ic, les vortex sont arrachés de la position primitivement stable. On passe alors à un régime d’écoulement : c’est-à-dire qu’il existe un mouvement global du réseau. Les vortex qui se déplacent sont freinés par des forces de type 5 Zone non supraconductrice en forme de cylindre dans un supraconducteur. Ce phénomène est dû à un champ magnétique supérieur à une valeur critique. Les vortex sont mobiles et sont sources de dissipation d'énergie, c’est un petit cylindre parallèle au champ magnétique extérieur (ceci est d'autant plus valable que la température est proche du zéro absolu, sinon le parallélisme est de moins en moins évident). Chaque vortex porte le même quantum de flux magnétique dont la valeur est : - 15 - visqueux, comme dans un fluide. Par conséquent, une certaine résistivité « flux flow » (fluage de flux), obéissant à la loi suivante : apparaît, dite Donc, si le réseau est liquide, il est difficile à ancrer, contrairement à un réseau solide. Ainsi, un supraconducteur de type II idéal (sans défaut), ne peut ancrer ses vortex et se trouve toujours en régime « flux flow » dans l’état mixte. Par conséquent, la structure du réseau contrôle la dissipation. Etat mixte dans une plaque (e) Les applications de la supraconductivité, réalisations et projets Dans le domaine de l’environnement On met à profit les propriétés magnétiques des supraconducteurs pour la filtration de l'eau. En effet, il existe des particules magnétiques qui s'attachent à la poussière. Ces particules sont mélangées à l'eau, capturent les poussières, puis sont séparées du milieu - 16 - liquide par un puissant champ magnétique généré par des supraconducteurs, emportant les impuretés avec elles. C’est ainsi qu’à l’aide des supraconducteurs, on peut purifier l’eau. Mis à part ce procédé, les supraconducteurs peuvent également aider à assainir l'air. Mais on ne s'y prend pas de la même façon, car le but n'est pas le même. Contrairement à l'épuration de l'eau, on ne cherche pas à extraire les poussières, mais bien à éliminer les agents polluants avant qu'ils soient éjectés dans l'environnement. Par exemple, lors de la combustion du charbon, les polluants contenus dans celui-ci (principalement du souffre) sont expulsés dans l'air avec les autres composantes de la fumée. Cependant, tous ces éléments n'ont pas les mêmes propriétés magnétiques, on les sépare donc avant la combustion grâce à un aimant supraconducteur. C'est donc un bon exemple que la technologie ne fait pas que polluer l'environnement, mais elle aide aussi à le préserver. Les électro-aimants La réalisation d'électro-aimants supraconducteurs constitue certainement l’application la plus courante de la supraconductivité. On les retrouve dans beaucoup de domaines. Un électroaimant est un organe électrotechnique6 produisant un champ électromagnétique lorsqu'il est alimenté en électricité. Il est constitué d'un bobinage et souvent d'une pièce en matériau ferromagnétique7 doux appelé circuit magnétique. Quand le bobinage est parcouru par un courant, il créé un champ magnétique canalisé par le circuit magnétique. La forme donnée au circuit magnétique permet, soit de concentrer l'effet du champ magnétique, soit de le canaliser. L'électroaimant joue le rôle d'un aimant, mais il est commandé par la présence ou non du courant. Il est utilisé soit pour produire une force électromagnétique soit pour produire un champ magnétique contrôlé en une région de l'espace. L'électro-aimant fait souvent partie d'un ensemble électrique (moteur électrique, générateur, radio, télévision, magnétophone, magnétoscope, disque dur, machines diverses). Dans les moteurs et les générateurs, il est utilisé pour créer un champ électromagnétique que l'on peut contrôler. 6 Utilisation technique de l'électricité, soit en tant que support d'énergie, soit en tant que support d'information. Possèdent la propriété de devenir magnétiques, c'est-à-dire de s'aimanter, lorsqu’ils sont placés dans un champ magnétique et de conserver une partie de ce magnétisme lorsque le champ est supprimé. Ils sont constitués d’éléments métalliques tels que le fer (surtout), le nickel et le cobalt. 7 - 17 - Schéma d’un électroaimant (http//www.ac-orleans-tours.fr/) Les transports Le train flottant est souvent désigné sous le nom de Maglev car il s'agit d'un train à lévitation (lev) magnétique (mag). La vitesse maximale d'un train à lévitation magnétique s'élève à plus de 500 km/h (en avril 1999, le prototype japonais a atteint 550 km/h). Les trains traditionnels ne peuvent pas atteindre une telle vitesse, car ils sont limités par l'adhésion qu'ont les roues avec les rails. Pour leur part, les trains à lévitation magnétique sont construits de sorte à ce qu'il n'y ait aucun contact entre la partie mobile et la partie immobile. Afin de permettre au Maglev d’entrer en lévitation et d’être propulser grâce à l’électromagnétisme, on dispose de deux méthodes : la sustentation magnétique et la répulsion électrodynamique. Le premier principe consiste à équiper le train de deux électroaimants, qui s’enroulent autour de chaque côté du rail de guidage du train. Ces électroaimants interagissent alors avec des barres de fer laminées placées dans le rail de guidage. Cette action soulève le train de 1 centimètre au-dessus de la voie. Mais il faut remarquer que ce système possède un inconvénient important : il est soumis à de grands problèmes de stabilité. En fait, il faut constamment surveiller la distance entre les électroaimants et le rail de guidage qui est ajustée par ordinateur, afin d’éviter tout risque de collision avec le rail. Cette technique a été beaucoup développée dans le système du prototype allemand plus connu sous le nom de Transrapid. Le Transrapid http//www.angelfire.com/ - 18 - Le second principe utilise la force de répulsion existant entre les aimants supraconducteurs du véhicule et des bandes ou bobines conductrices situées dans le rail de guidage. Ces aimants sont faits d’un alliage de niobium et de titane. Chacun d’eux est maintenu à une température constante de -269°C ! Cela permet aux deux aimants de conserver leur état de supraconducteur donc de n’opposer aucune résistance au passage du courant électrique. Les aimants se présentent sous forme de bobines regroupées par quatre dans un réservoir contenant de l’hélium liquide. Ces réservoirs sont situés entre les wagons du Maglev. Pesant chacun 1,5 tonnes, ils créent sous le train un camp magnétique de 4,23 Tesla, soit une force de lévitation de 98 KN ! Le Maglev circule sur un rail en forme de " U " équipé de trois couches de bobines alimentées en électricité par des sous-stations fixées le long de la ligne. La première couche assure la lévitation tandis que les deux autres couches assurent la propulsion. A l’intérieur des bobines passe un courant induit qui leurs permet de fonctionner en électroaimants. Au passage du train, ils créent un système de forces d’attraction et de répulsion permettant au train non seulement d’avancer, mais également de rester exactement maintenu au centre du rail de guidage et cela à plus de 10 centimètres de hauteur. Schématisation du principe http//h0.web.u-psud.fr/ cvc/TrainLevitMagn.GIF/ La Maglev lévite grâce à la force de répulsion existant entre les aimants supraconducteurs du véhicule et des bandes ou bobines conductrices situées dans le rail de guidage. Chacun d’eux est maintenu à une température constante de -269°C ! Cela permet aux deux aimants de conserver leur état de supraconducteur donc de n’opposer aucune résistance au passage du courant électrique. C’est le principe même de l’effet Messner. - 19 - Illustration de l’effet Messner En fait, la propulsion est assurée par un moteur qui génère des forces longitudinales. Ce moteur comprend des bobinages triphasés disposés sur la voie et des électro-aimants installés sur le véhicule. La vitesse du train varie en fonction du courant alternatif qui est envoyé dans les bobinages de la voie. Mais pour ce système, un problème subsiste. En dessous de 100 km/h, la fréquence du courant d’alimentation est abaissée. La lévitation n’est alors plus possible. Le train roule alors sur des pneus du même type que les avions. Aussi, les dangers de déraillement sont infimes, ce qui en fait un moyen de transport hautement sécuritaire. Mais les avantages sont beaucoup plus nombreux : la vitesse, le confort et la capacité d'un train à lévitation magnétique en font un moyen de transport réellement efficace et fiable, qui nécessite de peu d’entretien. De plus, puisqu'il fonctionne à l'électricité, il n'occasionne aucune pollution par dégagement de résidus de combustion dans l'air (comme c'est le cas avec les trains au charbon ou les automobiles). Cependant, malgré tout ces avantages, les contraintes liées aux infrastructures sont actuellement trop importantes pour que les trains à lévitation magnétiques se démocratisent. De plus, le système de refroidissement et d'alimentation causent encore problème. C'est d'ailleurs pourquoi la découverte d'un supraconducteur à une température encore plus élevée que ceux existants aujourd'hui serait d'une aide énorme. La propulsion des navires recourt aussi à l'utilisation de bobines supraconductrices : la magnétohydrodynamique. L'eau de mer étant conductrice, il est possible de l'accélérer dans un bobinage et de la rejeter à l'arrière du bateau. Transport du courant Le transport du courant entre les centrales électriques et les habitations ou industries passe aujourd’hui uniquement par des câbles en cuivre ou en aluminium. L’inconvénient de ces deux métaux est d’avoir une résistance, qui, bien qu’elle soit faible en comparaison de celle d’autres matériaux, entraîne une très grosse perte d’énergie pendant le transport, essentiellement sous forme de chaleur. De plus, le cuivre étant très lourd, on le remplace petit à petit par de l’aluminium, plus léger mais plus résistif, ce qui augmente les pertes de courant et oblige à faire passer des tensions plus importantes. L’application des supraconducteurs dans le transport d’énergie est alors ici parfaitement justifiée. En effet, du fait de leur résistivité nulle, les supraconducteurs évite la perte de courant par effet Joule (dissipation thermique). Ils permettent en outre de faire passer beaucoup plus de courant qu’une ligne classique, et ce dans un câble de section inférieure à celle des câbles conventionnels. - 20 - Exemples de câbles supraconducteurs (i) http//depris.cephes.free.fr/ presscom/2003/006/ Ainsi, 8400 Kg de câble de cuivre pourraient être remplacés par seulement 110 Kg de câble supraconducteur, ce qui faciliterait grandement les travaux d’enfouissement des lignes téléphoniques lors de la complétion d’installations existantes ou de l’établissement de nouvelles lignes. Cependant, le système de réfrigération de ces câbles reste un désavantage à leur implantation sur le marché. L’idée de créer des réseaux supraconducteurs qui ne perdent pas d’énergie par effet joule permet la création de lignes qui transportent des courants élevés mais à basse tension et sans perte d’énergie. Aujourd’hui les lignes de fort courant électrique sont à très hautes tensions pour limiter les pertes qui demeurent cependant importantes. En effet, la puissance du courant perdue par effet Joules est fonction du carré de l’intensité : Pj = R.i² . C’est pour cela que l’on a recours à des lignes à haute tension, afin de minimiser l’intensité, pour un même courant circulant (P=UI). Par ce principe, on peut fabriquer des circuits intégrés qui perdent peu d’énergie par effet Joule et donc réduire leur consommation électrique, ce qui est important pour les appareils portatifs. Mais on a aussi la possibilité de créer des puces électroniques dont les pistes sont plus resserrées sans craindre les effets néfastes de la chaleur dégagée et ainsi augmenter considérablement le nombre de transistors et par suite les performances des processeurs actuels. Le domaine médical Autrefois, une tumeur au cerveau signifiait automatiquement une opération et l'ouverture de la boîte crânienne. Il en était de même pour les autres parties du corps. Cependant, les choses ont bien changées depuis. Aujourd'hui, l'exploration du corps humain sans dommage ni intrusion est de plus en plus facile à réaliser et de plus en plus précise, surtout depuis la venue de la résonance magnétique nucléaire en imagerie médicale. En effet, l'utilisation des rayons X n'est plus la seule méthode pour obtenir des images corporelles. L'imagerie par résonance magnétique (IRM) a d'ailleurs l'avantage de n'avoir recours à aucun type de radiations, ces dernières pouvant devenir dommageables lorsqu'on y est surexposé. L'IRM offre aussi un meilleur contraste entre les différents tissus que les rayons X et ce, sans avoir à injecter de substances contrastantes au patient. C'est grâce à la supraconductivité qu'a pu naître cette nouvelle technologie. En effet, l'IRM (un long tube, au cœur d'un puissant électroaimant supraconducteur) repose entièrement sur la puissance de l'électroaimant qui est la base même de l'appareil. Il - 21 - faudrait des centaines de kilowatts pour qu'un aimant conventionnel atteigne le champ magnétique désiré. Par conséquent, l'utilisation d'un aimant supraconducteur est très avantageuse. Mais comment obtient-on les images? Schéma http://irm-facile.net/ IRM http//h0.web.u-psud.fr/ cvc/Articles.html/ L’IRM est basé sur le principe suivant : le patient, placé sous un détecteur, est soumis à un champ magnétique constant qui agit principalement sur les noyaux des atomes d’hydrogène des molécules d’eau qui composent majoritairement le corps humain (environ 70% de celui-ci, ce sont eux qui sont ciblés en IRM). Les noyaux (sont caractérisés par un moment magnétique nucléaire qui est quantifié : ils sont équivalents à de petits aimants) des atomes ayant un moment magnétique, agissent donc comme des aimants microscopiques en présence d'un champ magnétique. Les moments magnétiques de ces noyaux s’orientent alors à la façon de l’aiguille d’une boussole. Lorsqu’ils sont tous dans la même direction, sous l’effet du champ magnétique, ils subissent l’effet d’un second champ magnétique variable orthogonal au précédent auquel ils sont maintenant sensibles, qui les fait osciller : le signal de résonnance magnétique. L’analyse de leur retour en position d’équilibre, une fois le champ variable arrêté, permet d’obtenir l’image en 3-D du corps. Des champs magnétiques très intenses (0,5 à 4 Tesla) et très stables sont nécessaires à l’imagerie médicale pour améliorer la résolution des images. Ils peuvent être obtenus à l’aide d’aimants supraconducteurs. L’étude de l’IRM dans cette partie, nous mène à s’intéresser de plus prêt à son électroaimant. Il s'agit en effet d'un gigantesque solénoïde, qui entoure toute la partie haute du corps, et d'une très grande puissance, puisqu'il permet de créer un champ magnétique généralement d'environ 2 teslas (40 000 fois le champs magnétique de la Terre), unité de mesure des champs magnétiques, mais peut varier et aller jusqu'à 4 teslas (très rare). La plupart des mesures s'effectuent avec un champs magnétique de 1 à 2 teslas, il faut des solénoïdes de très haute technologie pour pouvoir effectuer de pareil champs magnétiques, surtout sur un volume aussi grand que celui du "tunnel" où se trouve le patient (1.5m de long et 0.5m de large). Pour pouvoir mieux expliquer l'IRM, nous allons appeler ce champ magnétique Bo. Ce champs Bo doit être homogène sur tout le corps du patient, ce qui rend la création de ce champ encore plus difficile. Pour pouvoir le faire, on utilise des solénoïdes de types cryogéniques supraconducteurs. Ce sont donc des aimants qui marchent sous froid (le plus bas possible) et qui utilisent des bobines supraconductrices. Pour que ces bobines marchent en supraconductivité, elles sont "réfrigérées" par de l'hélium liquide (dont la température est entre -272,2°C et -268,9°C), - 22 - et on arrive ainsi proche du zéro absolu, mais on y est pas. Le système de refroidissement fonctionne en circuit fermé, ce qui permet d'avoir très peu de pertes d'hélium liquide, et il n'y a donc pas besoin d'avoir un système de ravitaillement. Le champs Bo va permettre au moment magnétique mu de la molécule H, dans le corps du patient, de passer d'une orientation aléatoire à une orientation parallèle (même sens, même direction que B0) ou antiparallèle (même sens que parallèle mais direction opposée) à B0. Le moment magnétique mu est donc dirigé selon l'axe de B0. Malgré tous ses avantages, l'IRM n'est pas parfaite. Certains tissus, comme les poumons qui sont remplis d'air, n'émettent pas de signaux assez forts pour que l'on puisse faire une bonne image. De plus, les patients munis d'un stimulateur cardiaque (pacemaker) ou d'une prothèse de métal ferromagnétique ne peuvent recourir à l'imagerie par résonance magnétique. Et surtout, gare à la claustrophobie, car le tube dans lequel sont insérés les patients est très étroit! Alors, dans ces cas, les médecins préfèrent encore les rayons X. Cependant, la recherche continue! On tente de faire des machines à IRM ouvertes sur trois côtés qui pourraient donner d'aussi bons résultats que le tube aimanté. On pense aussi à injecter certains gaz dans les poumons pour ainsi obtenir de meilleures images qu'avec la technologie déjà présente. Bref, l'histoire de l'imagerie par résonance magnétique ne fait que commencer. La spectroscopie par résonance magnétique est basée sur un principe similaire (utilise le principe de résonnance magnétique). Un échantillon soumis à deux champs magnétiques orthogonaux, donne une réponse caractéristique de sa composition et de sa structure. L'induction magnétique nécessaire est de l'ordre de 10 Tesla et une telle puissance implique l'emploi de supraconducteurs. L’accélérateur de particules Les accélérateurs de particules sont d’immenses anneaux toriques à l’intérieur desquels se produisent des collisions volontaires d’électrons. Afin de réussir la collision de ces particules, il est nécessaire de les accélérer à une vitesse proche de celle de la lumière (299 792 km/s, atteinte à 99,9999%). Cette vitesse est obtenue par induction magnétique par des aimants d’environ 15 Teslas de puissance disposés tout le long du tore. Un accélérateur sert donc essentiellement en recherche fondamentale. Le plus connu est celui du CERN à Genève. Il est constitué d’un aimant supraconducteur. Pour citer, le lundi 7 mars, à 14h, les équipes du groupe TS-IC (Coordination de l'Installation) ont descendu un aimant supraconducteur dipôle dans le tunnel du LHC (accélérateur de particule de Genève). - 23 - A 23h, l'aimant de 15 mètres de long et de 35 tonnes était positionné à son emplacement définitif. Electronique Les jonctions Josephson sont utilisées dans la construction d'appareils de mesure tels que les voltmètres et les magnétomètres. Pour le cas des magnétomètres, le courant induit par un champ magnétique extérieur provoque au niveau d'une jonction un courant alternatif dont la fréquence varie avec l'intensité de ce dernier. Le principe de la diode Josephson permet maintenant de construire des microprocesseurs dont la fréquence d'horloge8 dépasse les meilleurs ordinateurs fabriqués en série. La NASA en collaboration avec plusieurs universités effectue des recherches sur un microprocesseur travaillant à une fréquence proche du petahertz alors que l'ordinateur le plus puissant construit à l'heure actuelle tourne à quelques terahertz. De telles performances seraient inaccessibles sans l'utilisation de jonctions Josephson incorporées dans des transistors à effet de champ. La propriété des supraconducteurs de type 2 à pouvoir stoker des champs magnétiques durablement en fait un support de stockage d'information binaire ultra rapide et d'une fiabilité jamais égalée. Conservation de l’énergie Il est actuellement impossible de stocker de l’électricité pour une longue durée, car celle-ci doit être consommée très rapidement pour ne pas disparaître, c'est-à-dire dans la seconde qui suit sa production. Il pourrait être avantageux de conserver cette électricité afin de l’utiliser postérieurement, par exemple lors d’excès de productions qui sont irrémédiablement perdus. Le système de conservation, très simple, consiste en un anneau supraconducteur refroidi par de l’hélium liquide, et dans lequel on injecte le courant. On ferme ensuite le circuit et le courant se retrouve ainsi en circulation indéfiniment du fait qu’il n’y a aucune perte sous forme de chaleur. Revenez un an après la manipulation et vous constaterez que l’intensité du courant n’a pas bougé. Il faudra au pire revenir plus tôt et régulièrement afin de maintenir le niveau d’hélium liquide nécessaire au bon refroidissement du circuit. Le confinement magnétique et le Tokamak Depuis les années 30, le confinement magnétique est l’une des voies explorées pour domestiquer la fusion nucléaire. Les noyaux des atomes d’hydrogène, principal constituant solaire, se transforment en hélium en fusionnant. Cette réaction libère une énergie 8 Désigne la vitesse de fonctionnement d'un processeur. - 24 - faramineuse telle qu’elle chauffe et éclaire notre planète de puis des milliards d’années. Ainsi nombres de scientifiques ont voulu reproduire ce concept à notre échelle. Afin de parvenir à ce résultat, il subsiste une étape incontournable, la maîtrise de la matière sous des conditions physiques extrêmes. Celle-ci est alors dans un état appelé plasma. Dès lors, afin de maîtriser le plasma, de nombreux travaux sont menés jusqu’à la conception des tokamaks. L’objectif premier des tokamaks est de piéger un plasma chaud dans des champs magnétiques de façon à le maintenir le plus longtemps possible dans des conditions de confinement optimales c'est-à-dire à une densité et à une température assurant l’entretien des réactions de fusion thermonucléaire. Le principe est relativement simple mais la mise en œuvre est complexe. On fait circuler un plasma en confinant sa trajectoire dans un tore. Pour cela, on lui applique essentiellement deux champs (voir la figure suivante) : - un champ magnétique vertical de manière à faire tourner le plasma dans un tore horizontal un champ magnétique dont les lignes de champ sont circulaires et contenues dans le tore de façon à y confiner le plasma. La fusion par confinement magnétique a donc besoin de champs magnétiques très intenses pour confiner les plasmas d’hydrogène à très haute température, c’est à dire les maintenir en équilibre dans les chambres à vide des machines de fusion. La production de ces champs magnétiques dans de grands volumes, est en elle-même, un défi technologique. Par ailleurs dans les futurs réacteurs de fusion, ces champs magnétiques devront être maintenus de façon quasi continue. Pour des raisons évidentes de rendement, la production de ces champs intenses ne peut se faire qu’à l’aide d’aimants supraconducteurs. Schéma de principe d’un tokamak. Les différentes bobines créent un champ vertical, un champ circulaire et un champ toroïdal qui maintiennent le courant de plasma dans un tore. http//jac_leon.club.fr/ - 25 - Géométrie du tokamak Un Tokamak (j) http//lanoswww.epfl.ch/.../Bobines/default.htm/ Avantages Que ce soit dans notre vie domestique ou professionnelle, presque tous nos gestes quotidiens reposent sur une consommation d'électricité. Dans toute l'infrastructure qui transporte et convertit cette énergie (lignes électriques, transformateurs, moteurs en tous genres), une maîtrise complète de la supraconductivité et une application à tous les domaines de la vie courante où l'électricité est utilisée, se traduiraient par une suppression radicale des pertes engendrées par la résistance des conducteurs et une hausse substantielle des rendements des machines. Il y aurait donc une importante révision à la baisse des bilans énergétiques globaux de nos sociétés. Outre les retombées économiques d'un tel bouleversement, ce dernier prend aussi tout son sens si on le place dans des perspectives écologiques, dans la réduction des - 26 - émissions des gaz à effet de serre et de la lutte contre le réchauffement climatique, dont on ne peut plus nier la réalité. Sur le plan de la médecine, on peut imaginer que chaque médecin disposerait d'outils de diagnostics par imagerie à résonance magnétique. Le domaine de stockage de l'énergie trouverait enfin une solution. Quant au NTIC 9, l'avènement d'une électronique supraconductrice permettrait un accroissement exponentiel de la vitesse et de la puissance de calcul de nos ordinateurs, avec un gain de consommation d'énergie phénoménal. Inconvénients L'obstacle majeur à l'exploitation de la supraconductivité est du au niveau de température extrêmement bas auquel le phénomène est observé. De nombreux matériaux ont été synthétisés (niobium-titanium et niobium-nitrure) pour faire remonter la température d'apparition de la supraconductivité au niveau de la température de liquéfaction de l'azote (77K), produit obtenu industriellement sans difficulté. Aujourd'hui, le matériau dont la température de supraconduction est la plus élevée est un cuprate de mercure qui affiche un niveau de 138K soit -135 °C. La difficulté actuelle à réaliser des matériaux HTS (high température supraconductor) est la méconnaissance du mécanisme régissant le phénomène. 9 Nouvelles technologies de l’information et de la communication. - 27 - Conclusion Durant ce dernier siècle, les découvertes scientifiques de la supraconductivité n’ont cessé d’évoluer. Les théories, souvent issues du hasard, ont écrasé les précédentes. 1986 est une année charnière au niveau des découvertes des températures critiques des matériaux supraconducteurs. Actuellement, c’est la théorie BCS qui est à l’ordre du jour. Il en découle une suite d’effets, conséquences de celle-ci, et d’ore et déjà, certaines applications voient le jour et s’installent dans notre vie quotidienne. Même si la théorie BCS n’explique pas le phénomène de la supraconductivité pour des supraconducteurs à haute température critique, les chercheurs ne désespèrent pas de trouver, un jour, la solution miracle. En 1932, Albert Einstein disait, au sujet de l’énergie nucléaire que nous utilisons tous les jours : "Il n'y a pas la plus petite indication que l'on puisse obtenir un jour de l'énergie nucléaire. Cela impliquerait de pouvoir désintégrer l'atome à volonté.". Si on rapproche l’énergie nucléaire à la supraconductivité, nous vous laissons imaginer ce que l’Homme peut encore arriver à faire… - 28 - Bibliographie (a) Magnétisme et supraconductivité de Laurent Patrick LEVY CNRS édition 1997 (b) http://superconductors.free.fr (c) http://www.futura-sciences.com/comprendre/d/dossier103-1.php (d) http://superconductors.free.fr (e) http://www.lema.phys.univ-tours.fr/Materiaux/Supra/Types/TypesII.htm (f) http://membres.lycos.fr/jsnwinoc/irmfct.htm (g) http://www2.fsg.ulaval.ca/opus/scphys4/complements/maglev.shtml (h) http://fr.wikipedia.org/wiki/Acc%C3%A9l%C3%A9rateur_de_particules (i) http://www.physique.usherbrooke.ca/attracte/11-2001/dep_revu.htm (j)http://www.jet.efda.org/pages/welcome/french.html (k) Exploitation des mesures effectuées lors des expériences à Montpellier. - 29 -
