ASDS    TS-­‐SPE  

THÈME    LES  MATÉRIAUX  STRUCTURE  ET  PROPRIÉTÉS  DES  MATÉRIAUX  /  L'ENVOL  DE  LA  SUPRACONDUCTIVITÉ  

 NOM  :    ...................................     PRÉNOM  :  ............................     CLASSE  :  ......................     DATE  :    .............................................    

Document  1  :   Une  révolution  qui  venait  du  froid     Document  2  :  Un  aimant  qui  vole!  Il  y  a  tout  juste  cent  ans,  un  étonnant  phénomène  chamboulait  tout  ce  qu'on-­‐savait  jusqu'alors  sur  J'électricité.  Ou  plutôt  sur  la  résistance  des  matériaux  à  la  laisser  passer.  Car  même  les  fils  électriques  les  plus  conducteurs  qui  soient  gâchaient  partie  de  cette  énergie  en  la  transformant  en  chaleur.  Jusqu'à  ce  que,  en  1911,  un  physicien  hollandais  voit  littéralement  voit    "disparaître"  la  résistance  électrique  du  mercure!  Pas  dans  n'importe  quelle  condition  cependant  :  à  une  température  frisant  le  zéro  absolu.  La  supraconductivité  était  née  et  semblait  concerner  de  nombreux  métaux  et  alliages  [...  J.  Pour  expliquer  le  phénomène,  nul  besoin  de  faire  appel  à  une  transformation  du  matériau  induite  par  le  froid.  La  supraconductivité  trouve  son  origine  dans  le  comportement  des  électrons  de  la  matière  et,  pour  la  comprendre,  il  faut  avoir  recours  à  la  physique  quantique.  Au  fil  des  ans,  les  recherches  vont  révéler  bien  d'autres  propriétés  surprenantes.    En  particulier,  supraconductivité  et  magnétisme  ne  font  pas    

La  photographie  ci-­‐dessous  représente  un  aimant  en  lévitation  au-­‐dessus  d'un  supraconducteur  

 bon  ménage:  un  supraconducteur  exclut  tout  champ  magnétique  que  l'on  veut  lui  imposer  de  l'extérieur.  C'est  l'effet  Meissner,  du  nom  de  son  découvreur.  «C'est  d'ailleurs  cette  capacité  qui  fait  qu'un  supraconducteur  est  tout  autre  chose  qu'un  simple  conducteur  idéal  »,  rappelle  Georges  Waysand,  du  Laboratoire  souterrain  à  bas  bruit  de  Rustrel-­‐Pays  d'Apt  -­‐Mathieu Grousson, extrait de l'article «Une révolution qui venait du froid», paru dans l’enquête« la supraconductivité prend son envol »Journal du CNRS n- 255, avril 2011

Document  3:  La  supraconductivité,  comment  ça  marche?  Un  phénomène  magnétique...  Un  aimant  génère  autour  de  lui  un  champ  magnétique  qui  traverse  tout  matériau  non  magnétique  comme  la  pastille  noire  (a)  ,  Quand  la  pastille  noire  devient  supraconductrice  il  basse  température,  celle-­‐ci  expulse  le  champ  magnétique  (b).  Cela  crée  alors  une  force  sur  l'aimant  et  le  fait  léviter:  c'est  ce  qu'on  appelle  l'effet  Meissner.-­‐  

   

……et  électrique  A  l'échelle  microscopique,  la  physique  quantique  nous  apprend  que,  dans  un  métal.  les  électrons  se  comportent  comme  des  ondes  étalées  sur  plusieurs  atomes,  indépendantes  les  unes  des  autres  (c).  Dès  qu'un  défaut  se  présente  ou  que  l'un  des  atomes  du  réseau  cristallin  vibre,  ces  ondes  sont  perturbées.    A  très  basse  température,  quand  un  métal  devient  supraconducteur  ses  électrons  s'associent  par  paires  (d)-­‐  

   

 Toutes  les  paires  d'électrons  se  superposent  alors    (e)  les  unes  aux  autres  pour  former  une  seule  (f)    Cette  onde  tout  il  fait  particulière  devient  insensible  aux  défauts  du  matériau:  ils  sont  trop  petits  pour  la  freiner  dans  son  ensemble.  la  résistance  électrique  a  disparu.    

   

 

Document  4:   Applications  de  la  supraconductivité  

La  supraconductivité  a  de  nombreuses  applications  possibles  dans  le  domaine  de  l'énergie  (Fig.  1),  des  transports  (Fig.  2),  de  la  santé,  de  la  télécommunication  ou  de  la  recherche.    

fig.1    L’utilisation  des  supraconducteurs  permettrait  

d’éviter  les  pertes  par  effet  joule  

 fig.2    

train  a  sustentation  magnétique  a  atteint  une  vitesse  record  de  581km.h-­‐1  

Document  5  :    Matériaux  supraconducteurs  Pour  qu'un  métal  devienne  supraconducteur,  il  faut  qu'il  soit  soumis  à  des  températures  approchant  le  0  K,  soit    -­‐273,l5  °C.  Dans  l'avenir,  les  chercheurs  espèrent  élaborer  des  supraconducteurs  à  température  ambiante,  qui  ne  nécessiteraient  plus  des  systèmes  de  réfrigération,  coûteux  et  encombrants.  D'ores  et  déjà,  des  matériaux,  qui  ne  sont  pas  des  métaux,  pouvant  être  supraconducteurs  à  quelques  dizaines  de  kelvin,  ont  été  découverts.  Un  aveni  prometteur….  Question  1  

a.  Quels  types  de  matériaux  sont  actuellement  concernés  par  le  phénomène  de  supraconductivité?  Le  phénomène  de  supraconduction  peut  concerner  les  métaux  et  leurs  alliages  b. À  quelle  condition  ces  matériaux  peuvent-­‐ils  devenir  supraconducteurs?  Ces  matériaux  peuvent  devenir  supraconducteurs  à  des  températures  proches  du  zéro  absolu-­‐  

 

Question  2  a.   Au  niveau  électrique,  par  quoi  se  traduit  le  phénomène  de  supraconductivité?  

Au  niveau  électrique,  la  supraconductivité  se  traduit  par  une  résistance  nulle  au  courant  électrique  b. Au  niveau  magnétique,  de  quoi  s'accompagne  ce  phénomène?  

Au  niveau  magnétique,  le  phénomène  s’accompagne    d’une  exclusion  de  tout  champ  magnétique.  

   

Question  3  Donner  des  exemples  de  l'utilisation  possible  de  la  supraconductivité  La  supraconduction  est  utilisée : –  dans  les  transports  :  train  à  sustentation  magnétique  ;  .................................................................................................    –  dans  l’énergie  :  utilisation  de  câbles  qui  ne  présentent    aucune  résistivité  au  passage  du  courant  électrique  

 

Question  4  a. Quel  est  le  principal  avantage  de  la  supraconductivité?  

Le  principal  avantage  est  d’éviter  les  pertes  par  effet  Joule  c. Quel  en  est  le  principal  inconvénient  

Le  principal  inconvénient  est  que  le  phénomène  de    supraconductivité  nécessite  de  travailler  à  très  faibles  températures  et  donc  d’utiliser  des  systèmes  de  réfrigérations-­‐  

 

Question  5  a. Qu'appelle-­‐t-­‐on  le  ({  zéro  absolu)}?  

Le  «  zéro  absolu  »  correspond  à  une  température  de  0  K,  soit  -­‐  273  K.  b. -­‐Qu'appelle-­‐t-­‐on  l'effet  Meissner  ?  

L’effet  Meissner  est  l’effet  d’exclusion  de  tout  champ  magnétique  observé  pour  un  matériau  supraconducteur-­‐  

 

Conclusion    Question  5  

a. Quelle  est  la  nature  des  deux  phénomènes  physiques  qui  se  manifestent  dans  la  supraconductivité  La  supraconductivité  s’explique  au  niveau  micros  microscopique  par  la  physique  quantique.    Dans  un  métal,  les  électrons  se  comportent  comme  une  onde  qui  s’étale  sur  plusieurs  atomes.  Dans  un  matériau  supraconducteur,  cette  onde  occupe  tout  le  matériau.  

b. -En  quoi  la  recherche  sur  la  supraconductivité  est-­‐elle  importante  pour  l'avenir?  La  supraconduction  est  à  la  fois  un  phénomène  électrique  car  un  matériau  supraconducteur  a  une  résistance  électrique  nulle  et  un  phénomène  magnétique  car  un  matériau  supraconducteur  rejette  tout  champ  magnétique.    La  recherche  sur  la  supraconduction  est  importante  car  il  est  important  de  pouvoir  transporter  de  l’électricité  sans  perte  d’énergie  mais  cela  n’est  réellement  pertinent  que  s’il  est  possible  de  concevoir  de  tels  matériaux  à  des  températures  proches  des  températures  ambiantes