Cours Supra 3h

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2007-02-12 © 2007, Frédéric Sirois 1 ELE4453 – Matériaux de l’électrotechnique Matériaux supraconducteurs Frédéric Sirois, ing., Ph.D Professeur adjoint Dép. de Génie électrique École Polytechnique de Montréal

Transcript of Cours Supra 3h

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    ELE4453 Matriaux de llectrotechnique

    Matriaux supraconducteurs

    Frdric Sirois, ing., Ph.DProfesseur adjointDp. de Gnie lectriquecole Polytechnique de Montral

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    Quest-ce que la supraconductivit?

    tat trs particulier de certains matriaux ltat solide, dont les 2 caractristiques fondamentales sont: une absence complte de rsistivit

    lectrique un diamagntisme parfait (effet Meissner)

    Cet tat ne peux exister que si: T < TC (temprature critique) B < BC (champ critique) J < JC (densit de courant critique)

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    Relation J-B-T

    Surfaces critiques dfinissant la frontire de ltat supraconducteur et de ltat normal pour diffrents matriaux

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    Phnomne rare ou non?

    La supraconductivit nest pas si rare, mais elle requiert parfois des conditions trs spcifiques pour tre observe, surtout pour des lments simples du tableau priodique

    Source: P. Tixador et Y. Brunet, Techniques de lingnieur, D 2 701.

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    Un peu dhistoire

    Diffrentes thories existant en 1911 sur la rsistivit des mtaux basse temprature

    Source: P. Tixador et Y. Brunet, Techniques de lingnieur, D 2 701.

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    Dcouverte de la supraconductivit

    Ceci conduit Kammerlingh Onnesen 1911 observer pour la premire fois le phnomne de supraconductivit(mercure)

    Possible suite son succs liqufier lHlium en 1909 (temprature de 4.2 K !)

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    Dcouverte de la supraconductivit

    La rsistivit est tellement faible que les bornes suprieures les plus pessimistes sont de lordre de 10-25 .m !!!(exprience de courant persistant) Cuivre: 1.72 x 10-8

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    Effet Meissner

    Expulsion complte du champ magntique en toutes circonstances (matriaux de type I seulement)

    Observ en 1933 par Meissner et Ochsenfeld

    Source: C. Kittel, Introduction to Solid State Physics, 1996.

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    Effet MeissnerRefroidissement dans un champ magntique

    a) Conducteur parfait b) Supraconducteur

    Effet Meissner

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    Courants de surface et profondeur de pntration de London

    Les frres London ont proposs en 1935 une thorie qui permet de reprsenter leffet Meissner (mais pas de lexpliquer) Ils ont remplac la relation J=E

    (devenue inutile puisque = 0) par:

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    Courants de surface et profondeur de pntration de London

    Lorsque utilise avec les quations de Maxwell, cette relation permet de dduire quune densit de courant de surface (js , pour supercourants ) extrmement lev (de lordre de 100 kA/mm2 !) maintient la densit de flux lextrieur du supraconducteur La profondeur sur laquelle ce courant de surface

    circule est trs petite et de lordre de L, soit la profondeur de pntration de London Lordre de grandeur de L varies dune dizaine

    plusieurs centaines de nanomtres, selon le matriau

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    Courants de surface et profondeur de pntration de London

    Rpartition de linduction magntique et des courants dcrantage dans une plaque supraconductrice

    Source: P. Tixador et Y. Brunet, Techniques de lingnieur, D 2 701.

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    Quest-ce que la supraconductivit?

    Les 2 conditions suivantes sont donc essentielles pour dire quun matriau est supraconducteur:

    absence complte de rsistivit lectrique diamagntisme parfait (effet Meissner)

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    Plusieurs dcennies de recherches

    Les thories pour expliquer le phnomne progressent trs lentement Des avances

    importantes surviennent chaque 20 ans environ

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    1950: Interaction de Frhlich(interaction lectron-phonon)

    Deux lectrons peuvent en apparence sattirer via un mcanisme indirect: linteraction lectron-phonon

    Source: E. H. Rhoderick et A. C. Rose-Innes, Introduction to Superconductivity, 1969. Source: http://www.chemsoc.org/exemplarchem/entries/igrant/theory_noflash.html

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    1957: Thorie BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer)

    Premire thorie cohrente pour expliquer la supraconductivit lchelle microscopique

    Base sur linteraction de Frhlich et lhypothse que les lectrons ltat supraconducteur forment des paires de Cooper

    La thorie BCS leur a valu le prix Nobel de la physique en 1957 Note: ctait un 2e prix Nobel pour John Bardeen, qui avait reu

    un premier prix Nobel pour la dcouverte du transistor Cest le seul ceintifique dans toute lhistoire a avoir reu 2 prix

    Nobel

    Bardeen Cooper Schrieffer

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    1957: Thorie BCS

    Premire thorie cohrente pour expliquer la supraconductivit lchelle microscopique

    Base sur linteraction de Frhlich et lhypothse que les lectrons ltat supraconducteur forment des paires de Cooper

    Source: Tim Lynch, CEFA

    Les paires de Cooper sont en fait une reprsentation pour illustrer un mouvement coordonndes lectrons dans la structure cristalline (une fonction donde qui stend lchelle macroscopique)

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    Supraconducteurs vs conducteurs normaux

    Le mouvement coordonn des lectrons permet un dplacement sans collision, donc SANS PERTES pour un courant continu

    Ceci nest possible que lorsque le rseau cristallin est relativement calme , donc basse temprature

    Ceci est contraire au modle de Drude (modle des boules de billard ), dans lequel la conductivitest dtermine par le libre parcours moyen entre 2 collisions

    Voir:http://www.chemsoc.org/exemplarchem/entries/igrant/bcstheory_noflash.html#bcscurrentpour une comparaison visuelle qualitative

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    Dautres dcouvertes importantes

    1957: Abrikosov prdit lexistence de 2 types de supraconducteurs Type I: tel que dcrit prcdemment Type II: une nouvelle phase: ltat mixte

    1963: Effet Josephson Un tension continue au borne dune jonction SNS

    (Supra-Normale-Supra) engendre un courant alternatif ! la base de toutes les applications des

    supraconducteurs en lectronique: Superconducting Quantum Interference Device (SQUID) Technique de mesure la plus prcise au monde !

    Ordinateur quantique

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    1986: une perce majeure

    Dcouverte par Bednordz et Meller (prix Nobel) de matriaux supra 35 K ( Cuprates ) La1.85Ba0.15CuO4 (35 K) auparavant le record de Tc tait de 23 K (Nb3Ge2)

    1987: Chu et Wu YBa2Cu3O7 (95 K !!!)

    La barre du 77 K (azote liquide pression atmosphrique) est franchie pour la premire fois

    Le seuil de lazote liquide est crucial car cela rend la cryognie abordable comparativement lHlium liquide

    Cette dcouverte lance une nouvelle branche de recherche: les matriaux supraconducteurs haute temprature critique (HTc)

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    volution des tempratures critiques avec les annes

    Source: P. Tixador et Y. Brunet, Techniques de lingnieur, D 2 701.

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    Caractristiques des matriaux supraconducteurs HTc

    Ces matriaux sont tous de type II (explications venir) Il sagit de cramiques plutt que de

    composs mtalliques La nature de la supraconductivit est

    diffrentes des matriaux basse temprature (BTc) La thorie BCS nest plus suffisante ce jour, il ny a pas encore de consensus sur une

    explication thorique complte Une explication qualitative est prsente sur le

    lien suivant:http://www.chemsoc.org/exemplarchem/entries/igrant/hightctheory_noflash.html

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    Potentiel technique et commercial

    Les points forts des matriaux supra HTcsont: Leur aptitude transporter de forts courants avec

    trs peu de pertesDO UN TRS GRAND POTENTIEL

    DAPPLICATION EN LECTROTECHNIQUE Leur champ critique (Bc2) extrmement lev (>

    40 T !!!)Application dans le domaine des champs

    magntiques levs imagerie mdicale fusion nuclaire (Tokamak) physique de la haute nergie

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    Matriaux HTc prometteurs

    Principalement 2 familles: YBCOIntressant en couches minces (Ic>106 A/cm2 )

    BSCCOmoins performant que YBCO en couches minces 77 Kplus facile mettre en forme de pices massives (tubes, barres)

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    Exemples de matriaux supra HTc

    chantillons de YBaCuO et BiSrCaCuO massifs pour applications

    lchelle macroscopique

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    Exemples de matriaux supra HTc

    Maille cristalline dYBaCuO

    et lchelle microscopique !

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    YBaCuO vs HgSrCaCuO (analogue au BiSrCaCuO)

    Source: P. Tixador et Y. Brunet, Techniques de lingnieur, D 2 703.

    La structure de ces matriaux est de type provskite. Ce sont des oxydes de cuivre (plans CuO2) spars par des atomes dYtrium (ou autre terre rare) ou de calcium, et intercals entre deux blocs identiques dextrmit qui contiennent des mtaux ou des terres rares et de loxygne.

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    Temprature et champ critique

    La supraconductivit disparat au-dessus dune certaine temprature appele: Temprature critique (Tc) De mme, une temprature donne T

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    Type I vs type II

    Source: P. Tixador et Y. Brunet, Techniques de lingnieur, D 2 701.

    Effet Meissner (diamagntisme parfait)

    prsent en tout temps

    Disparition de leffet Meissner

    aprs Hc1

    sous

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    Diagramme de phase H-T pour un matriau de type II

    Il existe mme un Hc3 (sous certaines conditions), mais ceci est de peu dintrt pratique

    De mme, les matriaux de type I on un Hc trop faible pour tre intressants en pratique

    Source: P. Tixador et Y. Brunet, Techniques de lingnieur, D 2 701.

    Relation approximative:

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    Quest-ce que ltat mixte?

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    Quest-ce que ltat mixte?

    En haut de HC2, on observe exprimentalement une pntration de flux lintrieur du volume du supraconducteur Abrikosov avait prdit ceci en 1957, avant mme

    que lon ait observ le phnomne il reut un prix Nobel en 2003 seulement, soit 46 ans

    plus tard !

    La pntration du flux rsulte en un phnomne thermodynamique li lnergie de surface lorsque la longueur de cohrence < L (profondeur de pntration de London)

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    Longueur de cohrence () En gros, reprsente ltendue maximale sur laquelle les

    lectrons peuvent former une paire de Cooper Plus est grand, plus la supraconductivit peut

    stendre loin une interface Supra-Normale, et moins le matriau sera sensible aux petits dfauts

    Source: P. Tixador et Y. Brunet, Techniques de lingnieur, D 2 701.

    Ce constat a beaucoup plus de porte quon ne pourrait le croire:Les proprits des supraconducteurs (Jc, Hc) dpendent grandement de !

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 34

    Caractristiques typiques de certains matriaux dintrt pratique

    Source: P. Tixador et Yves Brunet, Techniques de lingnieur, D 2 703.

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    Type I et type II : Dfinition formelleSource: E. H. Rhoderick et A. C. Rose-Innes, Introduction to Superconductivity, 1969.

    Type I : nergie de surface positive Type II : nergie de surface ngative

    Type I : > Type II : <

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    Consquence de lnergie de surface

    Tout systme physique tend rduire son nergie totale Une nergie de surface positive (matriaux de type I)

    favorise de minimiser linterface Normale-Supra, do leffet Meissner

    Avec une nergie de surface ngative (matriaux de type II), il est au contraire avantageux de crer des interfaces Normales-Supra

    Cest exactement ce qui se produit: le matriau cre de nombreuses petites zones normales travers le volume supraconducteur, dans lesquels le champ magntique est admis

    Il subsiste quand mme un effet Meissner chaque interface, mais comme il existe du flux dans le matriau, le diamagntisme parfait est perdu

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    Consquence de lnergie de surface

    Flux magntique traversant un matriau supraconducteur de type II La configuration en tubes de flux (aussi appele vortex) est celle qui

    est le plus favorable nergtiquement, car elle maximise la rduction de lnergie totale du systme

    Source: E. H. Rhoderick et A. C. Rose-Innes, Introduction to Superconductivity, 1969.

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    Structure dun vortex

    Leffet Meissner chaque interface Normale-Supra en tube engendre un courant de surface qui sapparente un vortex , do le nom

    lintrieur de chaque tube de flux, il passe une unit de flux quantique (1 fluxon), de valeur gale 0=h/2e=2,07x10-15 Wb

    Source: P. Tixador et Y. Brunet, Techniques de lingnieur, D 2 701.

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    Agencement gomtrique des vortex

    Les vortex se repoussent mutuellement (comme toute ligne de champ magntique, qui ne peut jamais en croiser une autre)

    En absence de dfaut dans le matriau, ils sorganisent en rseau rgulier (prdiction dAbrikosov)

    Source: Abrikosov, 1957.

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    Ltat mixte est-il supraconducteur ?

    La prsence de vortex crs par des supercourants indique que le matriau est bel et bien supraconducteur dans ltat mixte Cependant, si fait circuler un courant dans

    un matriau ltat mixte sans dfauts, on mesurera des pertes ! Pourquoi ?!?

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    Origine de la rsistivit dans un supraconducteur de type II

    Matriaux de type II : rseau de lignes de flux quantiques

    0=GGG

    JFLJG

    LFG

    0G

    En prsence dun courant J, apparition dune force de Lorentz, i.e.

    Si les vortex ne sont pas retenus par quelque chose, ils vont se mettre en mouvement !

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    Origine de la rsistivit dans un supraconducteur de type II

    Le mouvement des vortex nest pas souhaitable, car il engendre un champ lectrique E colinaire avec J, doapparition de pertes, selon les quations suivantes:

    Cependant, les dfauts prsents dans le matriau, sils sont bien rpartis, permettent dancrer les vortex en place et ainsi dempcher la dissipation

    Comme les dfauts peuvent aussi nuire la supraconductivit, tout lart rside dans la faon de crer les bons dfauts pour une application donne

    fE B v

    P J E

    = =

    G G GG G

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    Origine de la rsistivit dans un supraconducteur de type II

    Partant dune configuration de dfaut donne, il peut se produire 3 choses sur application dun courant J (on suppose pour linstant une opration au zro absolu, en absence dagitation thermique):Rgime dancrage: les dfauts retiennent tous les

    vortex en place, et le courant circule sans pertestat critique (J=Jc): les vortex sont juste sur le

    point dquilibreRgime de fluage : les vortex se mettent en

    mouvement et engendrent des pertes, tel que mentionns prcdemment

    Jc est dfini comme tant le courant critique dans un supraconducteur de type II

    PL FF

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 44

    Origine de la rsistivit dans un supraconducteur de type II

    Graphiquement, on obtient la situation suivante:Caractristique E-J : modle de fluage linaire

    T = 0 K, Bext arbitraire La vitesse des

    fluxons est limite par Fv=.vf (une force visqueuse appele force de Magnus) Il y a donc

    apparition dune rsistivitde fluage ff

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 45

    Parenthse: la lvitation magntique

    Cest grce lancrage des lignes de flux que le phnomne de lvitation magntique stable est possible, ET NON PAS grce leffet Meissnerhttp://www.chemsoc.org/exemplarchem/entries/igrant/whatis_noflash.html

    Source: University of Oslo, Superconductivity Lab

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    Origine de la rsistivit dans un supraconducteur de type II

    La ralit observe est cependant diffrente

    Courbure dans la forme de la courbe E-J :2 facteurs

    indissociables:1)Distribution

    statistique P(Jc)2)Agitation

    thermique

    T > 0 K, Bext arbitraire

    Caractristique E-J relle : arrondie prs de J=Jc

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    Origine de la rsistivit dans un supraconducteur de type II

    Nature de la distribution statistique de P(Jc) : Jc diffrent dans chaque section dz

    E cc JJP de estatistiquon distributi)( =

    diff

    J

    CC JEJJPJQ ==

    /d)()(

    J

    dEi

    2

    2

    0

    1)('d)'()(JEJPJJQJE

    ffC

    J

    ff ==

    Relations bases sur le modle de fluage linaire

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 48

    Origine de la rsistivit dans un supraconducteur de type II

    Exemple illustratif pour une distribution de Ic (courant critique) rduite

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 49

    Origine de la rsistivit dans un supraconducteur de type II

    Agitation thermique quivalent abaisser la valeur de Jc observe exprimentalement

    P(Jc) inclut implicitement les 2 contributions

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 50

    Dfis de caractrisation et de modlisation

    La densit de courant critique (Jc) varie grandement avec:1) le champ magntique2) la temprature

    Nb3Sn Nb3Sn

    Source: P. Tixador et Y. Brunet, Techniques de lingnieur, D 2 701.

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    Dfis de caractrisation et de modlisation

    De plus, la dpendance en champ est trs anisotrope dans les supraconducteurs HTc

    Source: H. D. Ramsbottom et al., 1996.

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    Surfaces critiques

    Des mesures exprimentales sur une vaste plage de conditions exprimentales permettent de dfinir les surfaces critiques en-del desquelles les matriaux sont supraconducteurs

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 53

    Que doit-on retenir de tout ceci?

    La modlisation des matriaux supraconducteurs HTcest complexe

    Cependant, en opration normale (rgime nominal), on demeure sous Jc, do des modles plus simples peuvent tre utiliss pour valuer les pertes

    Dans un supra HTc, tant donn que la rsistivit(=E/J) nest pas nulle, il ny a pas lieu dutiliser les quations de London, mais simplement une loi dohm modifie, i.e.

    E=(J,B,T)J=f(J,B,T) Enfin, on peut aussi montrer que les quations de Maxwell

    conventionnelles sappliquent si on moyenne le champ sur une chelle qui englobe plusieurs vortex

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    Mthodes danalyse

    Il est possible danalyser le comportement lectrique, magntique et thermique des supraconducteurs HTc exactement comme on le fait pour des matriaux conventionnels, mais en considrant une rsistivit non linaire (J,B,T) Les logiciels dlments finis sont une bonne faon

    dtudier des problmes de gomtrie complexe et permettent de saffranchir de la lourdeur des quations diffrentielles Il faut cependant que les outils de calculs soient

    adapts cette nouvelle ralit, i.e (J,B,T), ce qui nest pas toujours simple en pratique

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    quations diffrentielles rsoudre

    Les logiciels doivent pouvoir solutionner:

    a) Les quations de Maxwell (electromagntisme)

    b) Lquation de chaleur (thermique)

    Il sagit dun problme coupl

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 56

    Pourquoi tous ces calculs?

    Afin de rendre la technologie la plus comptitive possible, il est important doptimiser la conception des applications Rduction des pertes Rduction du volume de matriau requis

    De plus, la modlisation lectromagntique fine permet dextraire ensuite des modles en termes de circuits quivalents, qui seront fort utiles pour valuer par simulation limpact des applications dans un rseau lectrique

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 57

    Modles en circuits quivalents

    Permettent ensuite dtudier lintgration des appareillages supraconducteurs dans les rseaux lectriques

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 58

    Exemples dapplications en lectrotechnique

    Transformateurs de puissance

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 59

    Exemples dapplications en lectrotechnique

    Cbles

    SumitomoSumitomo

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 60

    Exemples dapplications en lectrotechnique

    Stockage dnergie magntique (SMES)

    AMSCAMSC

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 61

    Autres applications potentielles

    Moteur de navire (49 000 HP !!!)

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 62

    Applications des supraconducteurs dans dautres domaines

    Trains lvitation magntique (MAGLEV)

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 63

    Applications des supraconducteurs dans dautres domaines

    Imagerie mdicale (matriaux BTc)

    IRM modIRM modle de 3 Teslale de 3 TeslaSiemens et Oxford InstrumentsSiemens et Oxford Instruments

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 64

    Applications en lectrotechnique sans quivalent classique

    Principe: On se sert de la rsistivit non linaire comme dun

    interrupteur , i.e.

    Lorsque JJc (en court-circuit), la

    rsistance devient trs grande, limitant ainsi le courant de court-circuit, et lnergie de dfaut est absorbe en bonne partie par le limiteur

    La limitation est ainsi assure de manire entirement passive (sans systme actif de dtection), ce qui est primordial car la protection des rseaux doit tre dune grande fiabilit

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 65

    Limiteur de courant supraconducteur

    Limiteur de courant de court-circuit

    Source: Y. Brunet et P. Tixador, Techniques de lingnieur, D 3 662.

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 66

    Limiteur de courant supraconducteur

    Limiteurs de courant supraconducteursExemple dimplmentation: limiteur effet dcran

    Source: Y. Brunet et P. Tixador, Techniques de lingnieur, D 3 662.

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 67

    Limiteur de courant supraconducteur

    Principal intrt des limiteurs en rseau: Rend possible un maillage accru des

    rseaux, ce qui en augmente la fiabilitsans dpasser les limites de court-circuit Permet lajout de production distribue de

    puissance importante prs des grands centres sans augmenter le niveau de court-circuit

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 68

    Autres proprits communes aux appareillages supraconducteurs

    Plus petits/compacts/lgers puissance gale avec les technologies conventionnelles Une rduction de 50 65% du poids est possible par

    rapport un appareil conventionnel Ceci est une option trs intressante pour des

    installations rtrofit l o les contraintes despaces sont quasi-insurmontables cot raisonnable

    Capacit de surcharge prolonge plus grande: meilleure gestion de la demande de pointe Exemple: un transformateur supra peut-tre surcharg

    2 p.u. pendant une priode de plusieurs semaines sans subir aucun vieillissement (mais au dtriment du rendement du systme de refroidissement)

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 69

    Forecasted Market Penetration Curves

    Source: Analysis of Markets and Future Prices for High Temperature Superconductors

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 70

    Cot des fils supra HTc ($ par mtre)

    Source: Analysis of Markets and Future Prices for High Temperature Superconductors

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 71

    March mondial prvu pour les supraconducteurs

    $0

    $1,000

    $2,000

    $3,000

    $4,000

    $5,000

    $6,000

    $7,000

    1997 2000 2003 2010

    New Electronics Applications

    New Large Scale Applications

    Magnetic Resonance Imaging

    Reseach & Technological Development

    Millions

    Source: Connectus, 2003

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 72

    Modles simples pour analyser les dispositifs supraconducteurs

    Revenons au modle E-J du supra, lorsque J se situe dans le voisinage de Jc (pour B et T constants)

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 73

    Modles E-J de base

    Bean : (i.e. L. P. avec n=)(1 paramtre)

    n

    cJJEE

    = 0

    n

    c

    c

    JJJ

    EE

    = min0

    cJJ = ,0

    Loi de puissance :(2 paramtres)

    Percolation :(3 paramtres)

    (explications au tableau)

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 74

    Ce que lon peut retenir

    Les modles en loi de puissance et de type percolation sont plus continus , et sont donc intressants pour des logiciels danalyse numrique Ces modles sont aussi plus ralistes que le

    modle de Bean pour des matriaux HTc Cependant, le modle de Bean, en raison de sa

    simplicit, se prte bien des calculs la main, ce qui est pratique en premire approximation De plus, le modle de Bean reste encore largement

    utilis car il permet de se comparer une rfrence connue (on peut vrifier si lordre de grandeur des calculs plus raffins a du sens)

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 75

    Modle de ltat critique (ou modle de Bean, 1964)

    On suppose Jc constant Sur application dun champ croissant, un

    courant de Jc est induit sur la surface du matriau Selon les quations de Maxwell, J=rot(H),

    do en 1D: J=-dH/dX Ceci implique que la pente dH/dx=Jc ou 0,

    aucune autre valeur On peut solutionner graphiquement des

    problme simples

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 76

    Modle de ltat critique

    Exemple classique: le fil cylindrique long

    On applique un champ Ha croissant le long de laxe du fil

    Les courants se propage vers lintrieur jusqu ce que le flux soit compltement pntr

    Ensuite, le flux entre librement de faon uniforme

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 77

    Modle de ltat critique

    Ha croissant, suivi dune dcroissance

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 78

    Modle de ltat critique

    La modification de la configuration du flux interne requiert un travail W Ce travail sert lutter contre les forces

    dancrage, qui nous empche de pousser (tirer) les lignes de flux dans le (hors du) matriau Les pertes se calcule exactement comme on

    calcule les pertes hystrtiques dans un noyau de transformateur, i.e.

    cyclecycle vol

    W HdB= v

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 79

    Modle de ltat critique

    Si Jc dpend du champ magntique, lanalyse se complique un peu, mais on peut voir qualitativement le rsultat:

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 80

    Exemple dapplication

    Calcul des pertes en rgime nominal dans un limiteur de courant supraconducteur effet dcran

    Exemple dimplmentation: limiteur effet dcran

    Source: Y. Brunet et P. Tixador, Techniques de lingnieur, D 3 662.

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 81

    Calcul plus prcis

    Distribution du courant dans un fil supraconducteur en ruban, calcul avec un modle en loi de puissance, laide de mthodes numriques

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 82

    Dfis relever en recherche

    Loptimisation des appareillages supraconducteurs requiert: De bons modles de matriaux (rsistivit) Mesures J, B, T variables sur une grande plage

    dopration 0 < B < 5-10 T 65 < T < 110 K 0 < J < 10 000 A/cm2

    Implique des dfis de taille au laboratoire Des outils de calcul numrique sophistiqus lments finis pour quations de Maxwell hautement

    non linaires Algorithmes spciaux adapts aux supraconducteurs

    (maillage adaptif, processeurs parallles, )

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 83

    Activits en cours Poly

    Mesures des proprits des matriaux supraconducteurs en rgime dissipatif

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 84

    Activits en cours Poly

    Le conducteur a fondu !

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 85

    Activits en cours Poly

    Exp erim ental Setup

    a) Applied fieldb) Magnetic responsec) Resultant flux density

    Flux diffusion equation:

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 86

    Activits en cours Poly

    Techniques numriques de rsolution des quations de Maxwell avec prsence de supraconducteurs

    Mthodes semi-analytiques

    Calcul sur processeurs parallles

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 87

    Maillage adaptif autour du front de flux

    Maillage fixe Maillage adaptif (front de flux, t1

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 88

    Activits en cours Poly

    Mini-limiteur pour validation des modles en dveloppement (stage CRSNG 2006, Dominique Gurette)

    0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12

    -8

    -6

    -4

    -2

    0

    2

    4

    6

    8

    Essai du lim iteur avec court-circuit - 45Vcrte , Essai 1

    Temps [s]

    T

    e

    n

    s

    i

    o

    n

    [

    V

    ]

    o

    u

    C

    o

    u

    r

    a

    n

    t

    [

    A

    ]

    Tension au limiteurCourantTension de source

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 89

    Modles en circuits quivalents

    Permettent ensuite dtudier lintgration des appareillages supraconducteurs dans les rseaux lectriques

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 90

    Sources des figures

    P. Tixador et Y. Brunet, Supraconducteurs: bases thoriques, Techniques de lingnieur, D 2 701.

    E. H. Rhoderick et A. C. Rose-Innes, Introduction to Superconductivity, London: Pergamon, 1969, p. 177.

    C. Kittel, Introduction to Solid State Physics, John Wiley & Sons, 1996.

    P. Tixador et Y. Brunet, Supraconducteurs: environnement et applications, Techniques de lingnieur, D 2 703.

    Y. Brunet et P. Tixador, Limiteurs supraconducteurs, Techniques de lingnieur, D 3 662.

    B. Dutoit, Cours supraconductivit, cole Polytechnique Fdrale de Lausanne, http://lanoswww.epfl.ch/studinfo/courses/cours_supra/

    H. D. Ramsbottom et al. "Study of V-I curves and transport current for Ag sheathed Bi-2223 tapes ", Ottawa, 1996.

    F. Sirois, Thse de doctorat, cole Polytechnique de Montral, 2003

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    Liens web

    Texte dintroduction trs abordable sur quest-ce que la supraconductivit http://www.chemsoc.org/exemplarchem/entries/igrant/whatis_noflash.html

    Recette pour faire vos propres supraconducteurshttp://www.chemsoc.org/exemplarchem/entries/igrant/making_noflash.html

    Vous voulez en acheter? Voici de bonnes adresses!http://superconductors.org/Play.htm

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    ELE4453 Matriaux supraconducteurs 92

    Remerciements

    Un merci spcial Claude Girard de lIREQ qui ma fourni de nombreuses rfrences et photographies, ainsi que la prsentation quil a soigneusement prpare pour le compte dHydro-Qubec au sujet des applications grande chelle des appareillages supraconducteurs