La supraconductivité, qu’est-ce que c’est?

Un métal conducteur standard commele cuivre possède une résistanceélectrique. C’est sous l’action de cetterésistance qu’un fil parcouru par uncourant s’échauffe: c’est l’effet Joule.

Au contraire, les matériaux supraconducteurs ontune résistance électrique nulle : ils ne s’échauffentjamais sous l’action d’un courant électrique. Ilssont également capables d’exclure les champsmagnétiques, avec comme conséquence specta-culaire la lévitation magnétique.

Une question de température…C’est en 1911 que Gilles Holst, étudiant en physique sous la direction duphysicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes, découvre que le mercurerefroidi à une température de –268,8°C (4,2 K) perd brutalement touterésistance électrique. On comprendra très vite que tout supraconducteur possède unetempérature critique TC: en dessous de TC, il est supra-conducteur ; au dessus, il ne l’est plus.

En 1933, les physiciens allemands Walter Meißner et Robert Ochsenfeld découvrentqu’un échantillon supraconducteur soumis à un champ magnétique extérieur expulsecelui-ci : c’est l’effet Meissner. L’effet Meissner est illustré ci-contre: dans un matériau normal (schémaa), le champ magnétique est le même à l’intérieur et à l’extérieur. Un supraconducteur repousse les lignes dechamp (schéma b) et va ainsi léviter dans le champ magnétique.

L’effet Meissner(a) (b)

En 1957, les physiciens américains John Bardeen, Leon Cooper et John Schriefferélaborent la théorie BCS, qui explique pour la première fois la provenance de lasupraconductivité. Il aura fallu près de 40 ans pour qu’une explication satisfaisante de la supraconductivitésoit trouvée. Il s’agit en fait d’un phénomène quantique d’appariement des électrons.

En mars 1986, après 75 ans de recherches, le supraconducteur ayant la température critique la plus élevée est le niobiure de Germanium(Nb3Ge). Elle est encore de TC = –250°C (23,3K). Pour atteindre des températures aussi basses, on utilise l’hélium liquide, coûteux et très contraignant. Les applicationsindustrielles de la supra-conductivité s’en trouvent donc très ralenties.

Des supraconducteurs à haute températureEn avril 1986, le physicien suisse Karl Müller et le physicien allemand Johannes Georg Bednorz élaborent un nouvel alliage à base delanthane, dont la température critique monte à 35 K. C’est le début d’une nouvelle ère : moins d’un an plus tard, le seuil des –196°C (77K) étaitfranchi. –196°C, c’est la température de l’azote liquide, beaucoup moins chère à produire et bien plus facile à manipuler que l’hélium liquide.Les supraconducteurs entrent dans l’ère industrielle !

température

-273°C (0K)

-253°C (20K)

-233°C (40K)

-213°C (60K)

-193°C (80K)

-173°C (100K)

-153°C (120K)

-133°C (140K)

1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000

mercureplomb niobium

nitrate de niobiumgermanate d’étain niobiure de germanium

oxydes de cuivre, de lanthane

et de baryum

oxydes de cuivre,d’yttrium et de baryum

oxydes de cuivre, de bismuthde strontium et de calcium

oxydes de cuivre, de thalliumde baryum et de calcium

oxydes de cuivre, de mercurede baryum et de calcium

azote liquide

YBaCuO

5 prix Nobel pour la supraconductivité !1913: prix Nobel de physique à Heike Kamerlingh Onnes pour sesrecherches sur les propriétés de la matière à basse température, quimenèrent, entre autres, à la production de l’hélium liquide.

1972: prix Nobel de physique à John Bardeen, Leon Neil Cooper etJohn Robert Schrieffer pour la théorie qu’ils ont développéeconjointement sur la supraconductivité, appelée maintenant la théorieBCS.

1973: prix Nobel de physique à Leo Esaki, Ivar Giaever et BrianDavid Josephson pour leurs découvertes expérimentales concernantl’effet tunnel dans les semiconducteurs et les supraconducteurs.

1987: prix Nobel de physique à J. Georg Bednorz et K. AlexanderMüller pour leur importante percée dans la découverte de lasupraconductivité dans les céramiques.

2003: prix Nobel de physique à A.A. Abrikosov, V.L. Ginzburg etA.J. Leggett pour leurs contributions innovantes à la théorie dessupraconducteurs et des superfluides.

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Des supraconducteurs à température ambiante ?Les chercheurs continuent à rechercher le moyen d’obtenir de la supraconductivité à température ambiante. En septembre 2012, desphysiciens de Leipzig, en Allemagne, annoncent des résultats très encourageants avec du graphite dopé, qui montre des signes desupraconductivité jusqu’à des températures supérieures à 100°C. À suivre…

Les trains à lévitation magnétique www.physifolies.fr

L’effet Meissner, lui, permet de faire léviter des supra-conducteurs au dessusd’aimants, et même de les « piéger » dans le champ magnétique: on parle alorsd’ancrage. Dans ce cas, le supraconducteur ne tolère plus la moindre variation duchamp magnétique. En mettant des supra-conducteurs dans un train, et en créant unepiste où le champ magnétique ne varie pas le long de la piste, on peut donc faireléviter le train au dessus de la voie.

Si le train lévite, il n’a plus aucun contact nifrottement avec la voie, et il faut donc peu d’énergiepour le faire avancer. En fait, seule la résistance del’air va limiter sa vitesse.

Un système de propulsion ?L’effet Meissner permet seulement de faire léviter le train, mais encore faut-il le faire avancer ! On peut doncprévoir de rajouter un moteur traditionnel. Comme il n’y a que le frottement de l’air, il n’aura pas besoin d’êtrepuissant. Mais il y a plus astucieux: comme il y a déjà des aimants dans la voie, on va utiliser un mode depropulsion magnétique. Pour cela, on remplace certains des aimants permanents par des électroaimants, donton inverse la polarité au passage du train. Sur notre train, on pourrait monter le dispositif suivant :

aimant

électro-aimants

On a rajouté un aimant sur la locomotive et desélectroaimants sur la voie. Avant le passage dutrain, les électroaimants sont à l’arrêt.

cellule photoélectriqueLa cellule photoélectrique permet de détecter lepassage de la locomotive, qui déclenche l’allumage desbobines de l’électroaimant. Celui-ci est conçu pourgénérer un champ magnétique qui repousse l’aimantrajouté sur la locomotive: celle-ci est donc accélérée

Avantages des Maglev par rapport aux trains traditionnelsIls ne polluent pas le long de leur trajet.

Ils sont plus rapides.

Leur exploitation revient beaucoup moins cher.

Inconvénients des Maglev par rapport aux trains traditionnelsÀ cause de leur vitesse, ils sont extrêmement bruyants: à 500km/h, le JR Maglev génère pratiquement le même niveau de bruitqu’un avion (un petit jet). L’origine du bruit est exclusivement liéau déplacement et au frottement de l’air sur le train.

Les infrastructures sont extrêmement coûteuses à mettre enplace, et ne seront donc rentabilisées qu’à très long terme.

Le système de lévitationLes aimants au néodyme utilisés dans lesrails produisent un champ de 1,2 T. LeNord et le Sud des aimants sont orientésde façon à ce que les lignes de champ« enveloppent » le supraconducteurcontenu dans la locomotive.

Ça ressemble à de la science-fiction, et pourtant, les trains à lévitation magnétique existent déjà !

Le Transrapid a été développé en Allemagne. Il utilise la lévitation magnétique standard, sanssupraconducteur. Une ligne commerciale, le SMT (Shanghai Maglev Train) de 30 km est exploitéedepuis 2004 entre Shanghai et son aéroport (7mn 20s à la vitesse maximale de 431 km/h).

Le JR-Maglev japonais est encore en phase de test. Il fonctionne aussi sur le principe de la lévitationmagnétique standard, avec des électroaimants supraconducteurs refroidis à l’hélium liquide. Il détientle record de vitesse pour un train (581 km/h). Actuellement, la ligne expérimentale, d’unecinquantaine de kilomètres de long, devrait à terme être intégrée dans une liaison Tokyo-Osaka.

Le Limino, à Aichi, près de Nagoya, au Japon, est lepremier maglev urbain, une sorte de métro qui desservaitl’exposition universelle de 2005. Il compte 9 stations sur8,9 km de long et une vitesse de pointe de 100 km/h.

De nombreux autres projets existent ou ont existé dans le monde. Citons la liaison entre l’aéroport de Munich et le centre-ville, la liaisonLondres-Glasgow, la liaison entre le sud de la Californie et Las Vegas. Les projets les plus ambitieux concernent des Vactrains: ce sont desmaglevs qui circuleraient dans des tunnels basse pression. Dans ces conditions, le frottement de l’air ne limite plus la vitesse des trains, quipourraient circuler jusqu’à 8000 km/h. Le projet le plus avancé est le Swissmetro, réseau de tunnels qui relieraient les principales villes suisses à500km/h. Le projet le plus futuriste est un tunnel transatlantique qui mettrait Paris à moins d’une heure de New-York tout en supprimant la pollutionengendrée par les avions. Mais ce n’est pas pour demain…

La lévitation des aimantsQuand on pose un aimant au dessus d’un autre aimant, il ne lévite pas: soit il tombe sur le coté, soit il se retourne etvient se coller à l’autre aimant: la lévitation d’un aimant sur un autre est instable.On peut cependant faire léviter un aimant sur un électro-aimant (ou l’inverse) en ajustant en permanence le champmagnétique délivré par l’électro-aimant. Par exemple, dans le cas du globe en lévitation, plusieurs électro-aimantssitués dans la base ajustent leur champ magnétique de façon à ce que le globe soit toujours ramené vers sa positioncentrale: on parle d’équilibre dynamique.

La lévitation des supraconducteurs

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L’un des inconvénients majeurs des énergies renouvelables comme le solaire ou l’éolien, c’est qu’ilsproduisent parfois de l’énergie quand on n’en a pas besoin, et inversement. Mais si l’on pouvait transporterl’électricité sur de longues distances, on trouverait toujours du vent et du soleil quelque part pour produirel’énergie nécessaire aux régions froides et obscures.

C’est pour cette raison que les projets de super réseaux électriques se développent, notamment en extrêmeorient, aux États-Unis et en Europe.

Fermes solaires

Photovoltaïque

Éolien

Hydro-électrique

Biomasse

Géothermique

Pourquoi des lignes haute tension ?La puissance transportée par une ligne électrique est proportionnelle au courant électrique et à latension.

Les producteurs d’électricité comme EDF doivent transporter le maximum de puissance dans une ligneélectrique pour ne pas multiplier les infrastructures. Ils peuvent choisir entre des lignes à haut courant oudes lignes à haute tension. Pour alimenter 100 000 foyers (soit 200 MégaWatts), il faudrait:

puissance = courant x tension

Par exemple, pour une tension de 220 Volts et un courant de 1 Ampère, l’énergie transportée est de220 Watts.

220 Watts = 1 Ampère x 220 Volts

Mais les lignes s’échauffent sous l’action du courant et de la résistance. La puissance de la chaleurproduite par effet Joule est proportionnelle à la résistance et au carré du courant électrique.

Haut courant (moyenne tension) : 200 MW = 6700 A x 30 kVHaute tension : 200 MW = 526 A x 380 kV

Puissance chaleur = résistance x courant2

Les câbles de cuivre ou d’aluminium utilisés dans les lignes haute tension ont une résistance d’environ0.05 Ohms/km, soit 5 Ohm pour 100 km. La puissance dissipée sous forme de chaleur au bout de100 km serait donc:

Haut courant (moyenne tension) : 5 x 67002 = 224 MWHaute tension : 5 x 5262 = 1,4 MW

Dans un transport à haut courant, toute l’énergie électrique a été transformée en chaleur avant mêmed’atteindre les 100 km. Et en fait, sous l’action de cette chaleur, les fils auraient fondu depuis longtemps!Sur les lignes haute tension utilisées par EDF, on a quand même perdu 1,4 MW au bout de 100 km, soitprès de 1% de l’énergie totale! Et la température des câbles peut s’élever jusqu’à 80°C! On voit doncl’intérêt d’utiliser des supraconducteurs avec une résistance nulle, et donc aucune perte d’énergie!

Des câbles électriques sans pertesLes supraconducteurs permettent d’envisager de nombreuses économiesen matière de transport d’énergie, par rapport aux lignes haute tensiontraditionnelles. Tout d’abord, il n’y a plus de pertes d’énergie dues àl’échauffement des câbles (effet Joule). Mais aussi, comme les câbles nechauffent plus, on peut les rapprocher les uns des autres, et envisagerdes lignes haute tension souterraines moins encombrantes.

Mais la première chose à faire est de construire des câbles. Or lessupraconducteurs à haute température (HTS) sont des céramiques : onréalise en fait des rubans que l’on vient enrouler sur une âme métallique:

flux d’azoteliquide

âme métallique creuse

conducteur HTS (phase)

isolantélectrique

conducteur HTS (neutre)

cryostat gaine

Vous avez dit Tesla ?Le Tesla est l’unité de mesure du champ magnétique. À Lille, le champmagnétique terrestre vaut 58 µT. Les valeurs ci-contre donne la masse quipeut être soulevée avec un aimant de 1,4 cm de diamètre.

1 T 6,1 kg1,2 T 8,8 kg

4 T 98 kg10 T 612 kg

Des électroaimants géantsUn électroaimant, c’est tout simplement un ensemble de bobines defils électriques. Sa puissance est proportionnelle au nombre despires de la bobine et au courant qui le traverse. Un électroaimantpuissant nécessite donc un courant élevé, mais un courant élevé ferafondre le fil : on a donc recourt aux supraconducteurs. Dans laplupart des cas, il s’agit encore de supraconducteurs à bassetempérature, refroidis à l’hélium liquide car la technologie des HTSest trop récente pour avoir déjà pénétrer ces marchés.Les appareils d’Imagerie par RésonanceMagnétique (IRM) utilisent des électroaimantssupraconducteurs développant une inductiontypique de 3 Tesla (ci-contre).

Le nouvel anneau de collision de particulesdu CERN, le LHD, fait 27 km de long (ci-dessous). Il est situé près de Genève, àcheval sur la France et la Suisse. Sesélectroaimants ont nécessité 7000 km decâble supraconducteur

câble supraconducteur. Ils seront tra-versés par des courants de 40 000 A,pour produire des champs de 10 T. L’undes détecteurs associés, le CMS, détientle record du monde: 4 Tesla sur unvolume de 460 m3. L’énergie stockéeserait capable de soulever la tourMaine-Montparnasse de 2 m, ou desatelliser un homme sur la stationspatiale internationale !

Des câbles supraconducteurs pour transporter du courant.Si les câbles des lignes haute tension sont remplacés par des filssupraconducteurs, la résistance s’annule et il n’y a donc plus de perted’énergie. Les compagnies d’électricité s’intéressent donc de plus enplus aux supraconducteurs. En 2007, un tronçon supraconducteur de600 m a pour la première fois été intégré à un réseau électrique urbain,à Long Island, près de New York. Le câble est refroidi en permanence àune température de –198°C avec un flux continu d’azote liquide. Laliaison est triphasée et transporte 600 MW (138 kV, 2400 A).

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Dans un métal, l’électricité consiste en undéplacement d’électrons au travers du réseauconstitué par les atomes qui composent le métal.Si les atomes sont immobiles (et donc latempérature égale à 0 K) et en l’absenced’impuretés, les électrons se déplacent librement.En présence d’impuretés (des atomes cassent lamaille du réseau) ou lorsque les atomes vibrent,les électrons peuvent entrer en collision avec desatomes. Leur énergie est transformée en chaleur :une partie de l’électricité est perdue, transforméeen chaleur ; c’est la résistance.

La résistance électrique

L’effet Joule

P = R I2P : puissance en watt (W)R : résistance en ohm (Ω)I : intensité en ampère (A)

La structure du cuivre

En chauffant, le métal rougit, puis blanchit.

Le corps noirQuand on chauffe un corps, il émet de la lumièredont la couleur dépend de la température.

0.5 µm 1 µm 1.5 µm

10 µm 20 µm 30 µm

30 °C

2 µm 4 µm 6 µm

1000 °C

3000 °C

infrarouge

Pour voir l’infrarouge, on utiliseune caméra thermique