La supraconductivité (TPE)

Résumé du document

En 1804, Richard Trevithick construit la première locomotive à vapeur, depuis le train n'a cessé de s'améliorer. Le dernier grand pas a été l'invention du maglev, train japonais flottant dans les airs par répulsion magnétique. La supraconductivité, principalement l'Effet Meissner découvert en 1933 permettent d'imaginer un train du futur encore plus performant. Grâce au diamagnétisme parfait que permet la supraconductivité, un train non soumis aux frottements pourrait voir le jour et dont nous allons vous expliquer le fonctionnement et les avantages à la fois au niveau de la vitesse mais aussi au niveau économique.
Commençons par vous exposer son fonctionnement ainsi que par expliquer les règles physiques le permettant.

Théorie BCS et bases du magnétisme.

Théorie BCS

La théorie BCS tire son nom de trois physiciens américains John Bardeen, Léon Cooper et John Schrieffer qui la démontrèrent en 1957.

La théorie BCS, bien que remise en question par la découverte des matériaux supraconducteurs à haute température, est une théorie essentielle de la supraconductivité. En effet, elle explique comment certains matériaux peuvent devenir supraconducteurs au deçà d'une certaine température dite « critique ».
Tout d'abord, un matériau supraconducteur est un matériau qui, en dessous de sa température critique (et parfois de son champ magnétique critique), ne présente aucune résistance électrique lors du passage d'un courant continu.
Ainsi, chaque métal est composé d'un réseau cristallin secoué par des vibrations appelées « phonons », causés par le passage d'un électron chargé négativement dans le réseau cristallin, chargé positivement. Ces vibrations créent une zone chargée positivement qui attire l'électron suivant celui à l'origine de la vibration. Les deux électrons seront donc associés dans une paire dite « paire de Cooper », du nom de Léon Cooper, physicien à l'origine de cette découverte (...)

Extraits

[...] Chaque matériau, que ce soit le bois ou le fer possède une capacité à être traversé par un champ magnétique et qui détermine si les flux magnétiques qui le traversent seront déviés ou verront leur intensité réduite. Comme expliqué dans la partie précédente de l'exposé, cette valeur qui varie donc selon les matériaux est appelée la perméabilité magnétique. Ainsi, un conducteur parfait aurait une perméabilité de 1. Il laisserait passer les flux sans en changer les caractéristiques. A l'inverse, les supraconducteurs, en dessous de leur température critique, ont une perméabilité de -1. Ceci est l'expression mathématique du phénomène que nous avons expliqué plus haut. [...]

[...] Le champ magnétique à l'intérieur du supraconducteur est nul. Le diamagnétisme parfait permet ici au supraconducteur de flotter au-dessus de l'aimant, comme nous le montrons aussi dans notre expérience. (source: wikipedia). L'utilisation des conséquences de la supraconductivité pourrait donc être le moteur d'un progrès décisif pour le système ferroviaire. En effet, la suppression des frottements entre le train et les rails due à l'action du diamagnétisme engendrerait l'affaiblissement significatif des pertes d'énergie sur les trajets. Ceci permet d'atteindre des vitesses nettement supérieures à celle que le système ferroviaire propose aujourd'hui. [...]

[...] La supraconductivité, principalement l'Effet Meissner découvert en 1933 permettent d'imaginer un train du futur encore plus performant. Grâce au diamagnétisme parfait que permet la supraconductivité, un train non soumis aux frottements pourrait voir le jour et dont nous allons vous expliquer le fonctionnement et les avantages à la fois au niveau de la vitesse mais aussi au niveau économique. Commençons par vous exposer son fonctionnement ainsi que par expliquer les règles physiques le permettant. Théorie BCS et bases du magnétisme. [...]

[...] Ces paires de Cooper permettent donc aux électrons de circuler dans le métal en minimisant les collisions, atténuant ainsi la perte d'énergie causée par l'effet Joule et permettant au matériau de rentrer dans un état dit de supraconducteur Toutefois, cet appariement n'est possible qu'au deçà de la température critique, les phonons devenant trop importants lorsque la température augmente. Ces derniers brisent les paires de Cooper, annulant ainsi le caractère supraconducteur du métal. Depuis 1987 et la découverte des matériaux supraconducteurs à haute température (dits de type 2 en opposition avec les supraconducteurs de type la théorie BCS est remise en question mais elle reste la théorie communément admise quant à la création d'un état supraconducteur. [...]

[...] Toutefois, à partir d'une certaine valeur du champ magnétique appliqué (appelée Hc) variant selon la nature des supraconducteurs, ceux-ci perdent leurs caractéristiques supraconductrices pour revenir à leur état normal, identique à celui qu'ils ont au delà de leur température critique. Ce phénomène précis n'a pas encore été expliqué par les scientifiques. (source :cours de l'école Polytechnique Lausanne) L'Effet Meissner Pour tous les circuits présentant un phénomène d'induction, les lignes de champ, ou flux magnétiques, traversent le dipôle d'où est issu le champ magnétique induit. Ces flux gardent une intensité proportionnelle mais généralement inférieure à celle des flux qui ne traversent pas le dipôle. [...]