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Ralis par Daniel Carazo, Rolando Cruz et

Jude Jbara

Professeur encadrant : Florent Quiquerez

Lyce Franco-Costaricien

Costa Rica

Olympiades de Physique en France, XXme dition

Supraconductivit Comme sur des rails

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Sommaire Rsum .......................................................................................................................................... 2

I. Thorie .............................................................................................................................. 3

A. Histoire des courants lectriques et des champs magntiques..................................... 3

B. Perte dnergie dans un courant lectrique : leffet Joule ............................................. 3

C. Histoire de la supraconductivit .................................................................................... 4

D. Leffet Meissner et la lvitation quantique ................................................................... 5

II. Applications de la supraconductivit ................................................................................ 9

A. Applications de la rsistance lectrique presque .......................................................... 9

B. Applications de leffet Meissner .................................................................................. 10

III. Expriences et dmarche ................................................................................................ 11

A. Expriences .................................................................................................................. 11

Exprience 1 : dmonstration de leffet Meissner ................................................................. 11

Exprience 2 : Hauteur de lvitation...................................................................................... 12

Exprience 3 : Temps de lvitation ........................................................................................ 13

Exprience 4 : Premire tentative de circuit .......................................................................... 14

Exprience 5 : Le nouveau track ...................................................................................... 15

B. Possibles applications avec de suffisantes ressources : train base de

supraconducteurs ................................................................................................................... 16

C. Dmarche du groupe ................................................................................................... 17

Bibliographie ............................................................................................................................... 20

Annexes ....................................................................................................................................... 20

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Rsum

Ltat de supraconductivit est atteint lorsquun matriau des tempratures

trs basses prsente une rsistance lectrique quasi-nulle. Cet tat fait que le matriau

repousse les champs magntiques extrieurs. Un supraconducteur peut tre fig dans

un champ magntique car il est capable de tordre les lignes de champ autour de lui, ce

qui est l'effet Meissner, mais aussi car certaines lignes convergent et traversent le

supraconducteur en des points spcifiques. On dit alors qu'il est fig dans l'espace, car

les lignes de champ dans son intrieur sont arranges, et changer cet arrangement

demanderait beaucoup plus dnergie que de rester sur place. Dans un flux

magntique continu, comme celui cr par un circuit d'aimants, le supraconducteur ne

change pas la configuration des lignes de champ dans son intrieur en aucun point du

circuit, puisque le champ magntique est le mme tout le long des rails ; le

supraconducteur peut donc se dplacer librement sur tout le long du circuit. Ce

dplacement est intressant car il a l'avantage d'tre un mouvement libre de friction.

La zro rsistance lectrique des supraconducteurs est utilise aujourdhui pour

dtecter des faibles champs magntiques ou pour au contraire, fabriquer des

lectroaimants trs puissants. Enfin, il faut noter que leffet Meissner prsente

seulement des applications pour le futur, aucune application ntant avre

actuellement.

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I. Thorie

A. Histoire des courants lectriques et des champs

magntiques

En 1820, Hans Oersted dmontra quun courant lectrique qui traverse un cble gnre un champ magntique autour de lui-mme. Il montra de quelle manire ce cble altrait la direction d'une boussole qui se trouvait prs de lui. Le phnomne l'inverse, linduction (la cration d'un courant lectrique quand un champ magntique qui varie en fonction du temps traverse une bobine), fut dmontr en 1832 par Joseph Henry et Michael Faraday.

Hans Christian Oersted et sa clbre exprience : La prsence dun champ magntique* est tmoigne par lalination de la boussole avec le cble

*Voir animation en annexe

B. Perte dnergie dans un courant lectrique :

leffet Joule

Tous les conducteurs lectriques prsentent une certaine rsistance au courant lectrique. Cette rsistance (qui dpend de la rsistivit et de la longueur du matriau) transforme une partie de lnergie lectrique en chaleur, puisque le courant est en fait des lectrons qui passent par le conducteur, et ces lectrons collisionnent avec les atomes qui composent le conducteur, en perdant ainsi de lnergie qui se dissipe sous forme dnergie thermique. Cet effet peut se dcrire de la faon suivante: la chaleur gnre par un courant lectrique dpend directement du carr de l'intensit du courant, du temps pendant lequel celui-ci traverse le conducteur et de la rsistance que celui-ci oppose au courant . Ceci est appel effet Joule et est illustr par la formule suivante:

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Ici, Q est la chaleur gnre en joules, I lintensit du courant en Ampres, R la rsistance du conducteur en Ohms et t le temps en secondes.

Par consquent, une portion substantielle de l'lectricit gnre et perdue sous forme de chaleur dans un gnrateur, les lignes de transmission et les appareils qui utilisent un courant lectrique.

C. Histoire de la supraconductivit

En 1911, le scientifique hollandais Heike Kamerlingh Onnes dcouvrt, en mesurant la rsistance lectrique de multiples lments trs basses tempratures, que le mercure perdait toute rsistance lectrique 4.2K. Depuis lors, d'autres substances ont prouv d'tre non rsistantes des tempratures similaires et un concept nouveau, la supraconductivit, fut invente pour dcrire ce phnomne.

Heike Onnes et le graphique reprsentant la courbe de rsistance lectrique du mercure en fonction de sa temprature. Ici, 4.2 Kelvin est appel point de supraconductivit

Cependant, les tempratures extrmes que ncessite la supraconductivit la rendaient peu pratique, et en limitaient les applications.

Mais rcemment, de nouveaux matriaux issus de la recherche deviennent des supraconducteurs des tempratures beaucoup plus hautes, permettant un refroidissement lazote liquide, bien plus pratique. Par exemple, en 1986, les chercheurs dIBM russirent atteindre ltat de supraconductivit avec des cramiques 30.15 K, ouvrant la possibilit de la supraconductivit haute temprature . Un an plus tard, Paul Chu l'Universit de Houston, au Texas, Etats-Unis, a obtenu la supraconductivit 94.15 K, (une temprature qui peut tre maintenue facilement l'aide d'azote liquide).

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Les chercheurs tentent actuellement de trouver un matriau qui sera supraconducteur temprature ambiante, nanmoins la plus haute temprature laquelle la supraconductivit a t atteinte est de 138 K.

Il existe aussi certains mtaux, comme le platine et le cuivre, qui ne sont pas supraconducteurs : mesure que leur temprature diminue, leur rsistance dcroit, mais un moment, au lieu de diminuer encore, elle commence augmenter.

D. Leffet Meissner et la lvitation quantique Pour bien comprendre cet effet, il faut pralablement rappeler certaines lois de

la physique. La premire est la loi de Faraday, qui dit que tout matriau conducteur

travers par un champ magntique gnre des courants lectriques sur sa surface,

appels courants de Foucault ou courants de Eddy. Ces courants circulent de manire

circulaire, puisque les lignes de champ qui traversent le conducteur le font en ligne

droite (ou quasiment droite, cest comme le champ magntique que gnre une

bobine, sauf quici cest le courant qui est gnr par le champ magntique). La

deuxime loi est celle de Lenz, qui dit que les courants de Eddy gnrent eux-mmes

un champ magntique qui soppose au champ magntique qui les a originalement

cres, repoussant ainsi le champ magntique original. Cet effet, mme si avr pour

tous les conducteurs, est difficilement observable. Cependant, dans un

supraconducteur, les courants de Eddy ne sont pas soumis aucune rsistance

lectrique, et peuvent donc circuler infiniment sans perte dnergie. Ceci intensifie le

champ magntique quils gnrent, repoussant totalement le champ magntique

externe : cest leffet Meissner. Il faut spcifier cependant que les supraconducteurs de

type I (gnralement faits dlments purs) repoussent totalement les champs

magntiques qui les traversent sils sont suffisamment froids, ou ne les repoussent pas

du tout sils ne le sont pas ; tandis que ceux de type II (gnralement fait dalliages de

mtaux ou de cramiques complexes comme lYBaCuO) repoussent presque toutes les

lignes de champ sils sont trs froids, nen laissant passer que quelques-unes des