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La supraconductivité appliquée à la vie quotidienne

Trains circulant en lévitation, magnéto-encéphalogrammes de grande précision, et des moteurs, des générateurs et des transformateurs plus petits et plus légers… Ce sont là quelques-unes des applications de la supraconductivité.
  • La plupart des éléments chimiques deviennent supraconducteurs à une température suffisamment basse
  • La supraconductivité permet de transporter du courant électrique sans perte d’énergie et sans résistance
  • Trains circulant en lévitation, magnéto-encéphalogrammes de grande précision, et des moteurs, des générateurs et des transformateurs plus petits et plus légers… Ce sont là quelques-unes des applications de la supraconductivité

 

Supraconducteurs développés par le CERN pour transporter des courants de plus de 20 000 ampères
Supraconducteurs développés par le CERN pour transporter des courants de plus de 20 000 ampères

 

Un peu d’histoire 

Au début du XXe siècle, le physicien H. Kamerlingh Onnes et son équipe de chercheurs se consacrent à l’étude des propriétés de la matière à des températures très basses, d’entre -271 °C et -259 °C. En 1911, ils constatent que la résistance électrique du mercure tend vers zéro (disparaît) sous les 4,2 K (-269 ° C). Ils viennent de découvrir la supraconductivité. Leur contribution dans ce domaine leur vaut le prix Nobel de physique en 1913.

 

Qu’est-ce que la supraconductivité ? Il s’agit de la propriété qu’ont certains matériaux, dans certaines conditions, de transporter l’électricité sans déperdition d’énergie et sans résistance.

 

Deux autres prix Nobel pour les chercheurs dont les travaux ont éclairé la supraconductivité

En 1957, J. Bardeen, L. Cooper et R. Schrieffer énoncent leur théorie, la théorie BCS, qui  explique presque toutes les propriétés des matériaux supraconducteurs et leur vaudra le prix Nobel de physique en 1972. La théorie BCS explique que, à l’état supraconducteur, sous l’effet d’une interaction attractive entre électrons s’expliquant par des déformations du réseau métallique, des paires d’électrons (paires de Cooper) se forment. Ces paires sont capables de transporter de l’électricité sans résistance électrique.

En 1986, J.C. Bednorz et K.A. Müller, des laboratoires IBM de Suisse, découvrent la supraconductivité des matériaux céramiques, à des températures supérieures à la température critique. C’est une véritable révolution : ils ne tarderont pas à identifier aussi des matériaux capables de travailler à des températures supérieures à celle de l’ébullition du nitrogène liquide (-196 °C), qui peuvent donc être refroidis beaucoup plus facilement et pour beaucoup moins cher. Leur découverte sera récompensée par le prix Nobel de physique en 1987. Les technologies liées à ces familles de matériaux, baptisés « supraconducteurs à haute température », ont suscité l’intérêt des scientifiques pour les nouvelles applications de la supraconductivité.

 

L’effet Joule et les paires de Cooper

Lorsque le courant électrique circule dans un fil conducteur, ce dernier chauffe (comme l’indique, par exemple, le changement de couleur des résistances des poêles électriques ou du filament des ampoules). Ce phénomène, connus sous le nom d’effet Joule, est dû à la résistance électrique. Il se produit parce que les électrons, en s’agitant, se heurtent aux atomes du matériau. En revanche, dans un supraconducteur, les électrons forment des paires (les paires de Cooper) qui se déplacent à travers le matériau (en se synchronisant entre elles et avec les oscillations des atomes) et transportent le courant sans résistance électrique.

Autrement dit :

  • Lorsque la résistance tombe à zéro, un courant peut circuler à l’intérieur d’un matériau sans dissiper d’énergie puisque le matériau cesse d’offrir toute résistance au passage du courant électrique.
  • Les paires de Cooper se déplacent dans le solide sans friction.

 

L’effet Meissner

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Non seulement les supraconducteurs peuvent transporter des courants électriques sans résistance, mais ils peuvent aussi écranter (exclure) les champs magnétiques. Ce phénomène est connu sous le nom d’effet Meissner.

 

Quelles applications dans nos vies pour la supraconductivité ?

Elle permet de générer et de transporter des courants électriques avec une très faible déperdition d’énergie

  • Installation de fils supraconducteurs dans le réseau électrique. Ils transportent la même puissance à moindres frais énergétiques et bénéficient donc à l’environnement.
  • Conception de moteurs, de générateurs et de transformateurs bien plus légers et bien plus petits. Par exemple, des moteurs destinés à la propulsion des bateaux et à des aérogénérateurs.

 

La production de grands champs magnétiques

Amélioration des équipements à résonance magnétique dans les hôpitaux : les fils supraconducteurs de moins de 1 mm de diamètre permettent la circulation de centaines d’ampères sans déperdition d’énergie, ce qui les rend particulièrement appropriés pour les bobines qui génèrent des champs magnétiques très intenses (de plus de 2 teslas).

 

Le système magnétique du détecteur ATLAS du CERN comprend 8 énormes aimants supraconducteurs (tuyaux gris)
Le système magnétique du détecteur ATLAS du CERN comprend 8 énormes aimants supraconducteurs (tuyaux gris)

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Voyage à l’intérieur du CERN (ATLAS) en 10 minutes 

  • Pour les grands aimants employés dans les accélérateurs de particules comme celui du CERN (Conseil européen pour la recherche nucléaire).

 

De nouveaux systèmes de transport

Les supraconducteurs étant capables de générer de grands champs magnétiques, il est possible de construire des circuits d’aimants permanents sur lesquels des véhicules se déplacent en lévitation (littéralement parlant). C’est le cas des trains Maglev qui, du fait de l’élimination de la friction avec le rail, atteindront des vitesses pouvant aller jusqu’à 580 km/h sur le trajet Tokyo-Osaka. La première ligne commerciale devrait entrer en service en 2025.

 

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Essai à plus de 500 km/h du train superconducteur Maglev 

Conception de nouveaux dispositifs électriques

Ces dispositifs électroniques à hautes prestations permettent de détecter de très petits champs magnétiques. Ils sont mis au service d’instruments scientifiques de grande précision. Ils sont ainsi capables de détecter les champs magnétiques induits par les transmissions entre groupes de neurones dans le cerveau et ont commencé à être utilisés en magnétoencéphalographie.

 

Sources :

ICMA, Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón (CSIC, Consejo Superior de Investigaciones Científicas –Université de Saragosse)

CERN

Remerciements :

Tous nos remerciements à Luis Alberto Angurel, responsable de l’équipe de  Supraconductivité de l’ICMA, pour sa collaboration à la rédaction de cet article