word - Physique

Thème 1 : Santé Chapitre 1
Activité 2 - Champs magnétiques intenses
Les aimants produisent des champs magnétiques qui peuvent être élevés mais dont l'intensité décroît
très vite quand on s’en éloigne. Pour obtenir un champ élevé sur un gros volume, il faut plutôt utiliser des
électroaimants, c'est-à-dire une bobine de matériau conducteur d'électricité dans laquelle on fait circuler
un courant électrique. Le courant qui circule dans les boucles de la bobine crée un champ magnétique
perpendiculairement à la section de la bobine et dans tout son volume. Pour obtenir un champ élevé, il
faut utiliser un courant électrique élevé. Mais qui dit courant électrique dit résistance, et qui dit
résistance dit échauffement par effet Joule. Si le courant est trop élevé, le fil de la bobine va donc fondre.
Pour éviter ce problème, on peut soit refroidir le fil avec de l’eau (c'est très coûteux et peu pratique), soit
utiliser un fil supraconducteur.
Qu'est-ce qu'un matériau supraconducteur ?
À très basses températures, les propriétés électriques et magnétiques de certains matériaux tels le plomb,
le mercure ou certains oxydes changent radicalement. Ces matériaux deviennent supraconducteurs. Un matériau supraconducteur n'oppose plus
aucune résistance au passage du courant électrique (on dit que sa résistance est nulle) et il "expulse" les lignes de champ magnétique à l'extérieur
de la matière.
Le phénomène de supraconductivité, mis en évidence pour la première fois au début du XXème siècle, est une manifestation particulièrement
marquante de la physique quantique à l’échelle humaine : les nombreux électrons du matériau se regroupent dans une même onde quantique qui
s’étend sur de très grandes distances.
Aujourd’hui la supraconductivité est un domaine de recherche extrêmement actif , qu’il s’agisse d’élucider les mécanismes qui en sont à l’origine,
de concevoir de nouveaux matériaux supraconducteurs utilisables à des températures qui ne serait pas trop basses ou d’étendre le champ des
applications déjà nombreuses.
Des bobines supraconductrices pour créer des champs magnétiques intenses
Si on fait passer un courant électrique dans un matériau supraconducteur, celui-ci n'a pas de résistance et ne s’échauffe donc pas. Des champs
magnétiques intenses, c'est à dire dont l'intensité est de plusieurs teslas (1 tesla vaut à peu près 20 000 fois le champ de la Terre) peuvent ainsi
être obtenus en utilisant des bobinages de plusieurs milliers de tours de fils supraconducteurs plongés dans l’hélium liquide (l’hélium 4 peut être
liquéfié à pression ambiante sous une température d'environ -269 °C, soit 4,2 K). Ces supraconducteurs sont souvent constitués d’alliages de
niobium et de titane (NbTi) ou de niobium et d’étain (Nb3Sn). Ces bobines sont souvent appelées « aimants supraconducteurs » par abus de
langage.
Ces champs magnétiques élevés sont utilisés pour les IRM dans les hôpitaux (le champ utilisé est de l'ordre de 3 T), pour la Résonance Magnétique
Nucléaire en chimie et en physique, dans les laboratoires de physique pour étudier l’effet des champs sur les solides, dans les accélérateurs de
particules pour faire tourner les particules, pour faire léviter le plasma qui sera utilisé dans ITER pour le projet de fusion, mais aussi à bord du train
Maglev pour le faire léviter.
Sources : texte adapté des articles tirés du site www.supraconductivite.fr - consultés le 08/09/14
http://www.supraconductivite.fr/fr/index.php?p=applications-bobines
http://www.supraconductivite.fr/fr/index.php?p=applications-bobines#supra-intro
image : http://www.supraconductivite.fr/fr/index.php?p=applications-bobines#applications-accelerateurs
1. Qu'est-ce qu'un champ magnétique intense ?
2. Quel type de matériau utilise-t-on pour fabriquer des bobines permettant de créer des champs magnétiques intenses ?
3. Pourquoi a-t-on recours à ce type de matériau ?
4. Quelle contrainte entraine l'utilisation de matériaux supraconducteurs ?
5. Citer des applications qui utilisent des champs magnétiques intenses.
figure 1 : bobine supraconductrice
du lhc au cern (crédit : cern)