Lévitation avec un supraconducteur

Un article du site scienceamusante.net.

Il s'agit d'une expérience qui illustre l'effet Meissner, propre à un supraconducteur.

C’est dans les années 1910 que la supraconductivité a été observée pour la première fois, lors d’une expérience de mesure de résistance électrique en fonction de la température, d’un fil de mercure. Le chercheur a tout d’abord cru que son ohmmètre ne marchait plus lorsqu’il a vu la résistance chuter à 0 en dessous de 4 K (–269°C) ! Mais l’expérience était reproductible et ne pouvait pas être à l'origine d’une défaillance de l’appareil.

Évolution de la température critique des supraconducteurs depuis leur découverte.

Bien plus tard, un alliage de niobium et germanium a été découvert, présentant cette propriété en dessous de 23 K (–250°C), ce qui reste encore une très basse température difficile à obtenir en laboratoire.

Basse température
Champ magnétique important

Sommaire

1 Précautions

  • Attention aux basses températures Basses températures, pouvant congeler ("brûler", par abus de langage) les mains ou les tissus.
  • Attention aux aimants au néodyme ChampMagnetique S.gif ayant un champ magnétique important et pouvant agir à distance sur certains mécanismes et appareillages (stimulateurs cardiaques, ordinateurs, cartes bleues...). Ne jamais laisser deux aimants entrer en contact sinon il y a risque d’éclatement.
  • Après utilisation de la pastille céramique, ne pas la toucher tant qu'elle est encore froide. La laisser revenir à température ambiante puis bien la sécher avec un sèche cheveux avant de la ranger, sinon elle risque de s'oxyder et perdre ses propriétés.

2 Matériel

  • Diazote liquide Basses températures
  • Boîte de Petri et mousse
  • Pastille de céramique supraconductrice YBa2Cu3O7
  • Aimant au néodyme, ou de forte intensité ChampMagnetique S.gif
  • Une pince en plastique

3 Protocole expérimental

Aimant au néodyme lévitant sur une céramique YBa2Cu3O7 refroidie à l'azote liquide.
  • Placer la pastille de céramique à l'intérieur et au centre d'une boîte de Petri. La boite est posée sur de la mousse (isolant thermique).
  • Verser de l'azote liquide Basses températures jusqu'à recouvrir la pastille. L'azote se vaporise pendant le refroidissement de la pastille ; au besoin rajouter de l'azote jusqu'à ce que l'ébullition cesse.
  • Approcher un aimant au néodyme ChampMagnetique S.gif sur le dessus de la pastille. À une certaine distance (environ 2 cm) on sent une force de répulsion, comme entre deux aimants se présentant par leur pôle identique. Continuer à approcher l'aimant, à l'encontre de la force ressentie. Lacher l'aimant : celui-ci reste en place au-dessus de la pastille, en lévitation. Si jamais l'aimant ne reste pas en place et tombe à côté de la pastille, c'est sûrement que vous n'avez pas assez rapproché l'aimant en force, ou bien qu'il y a une pièce métallique dans les environs (armature sous la table par exemple) qui attire l'aimant.
  • Faire tourner l'aimant sur lui-même et constater qu'il tourne pendant un moment.
  • Soulever doucement l'aimant : celui-ci se libère de sa position stable.
  • Rapprocher l'aimant une nouvelle fois, en approchant plus qu'avant l'aimant de la pastille. Soulever ensuite l'aimant de quelques centimètres : la pastille de céramique est soulevée en même temps comme si elle restait suspendue à l'aimant ! Après quelques secondes dans l'air, la pastille retombe dans l'azote.
  • Après utilisation, laisser la pastille à l'air libre pour qu'elle revienne à température ambiante. Il y aura sûrement de la condensation déposée, due à l'humidité de l'air. Bien sécher la pastille avant de la ranger.

4 Explications

  • Certains composés ont la propriété de devenir parfaitement conducteurs de l'électricité en dessous d'une certaine température. Il s'agit des supraconducteurs (superconductors en anglais), dont la résistance électrique devient parfaitement nulle en dessous de la température critique Tc.
  • Les céramiques de type YBaCuO sont des supraconducteurs ayant une température critique supérieure à la température de l'azote liquide (–193°C), d'où leur utilisation relativement facile lorsqu'on dispose d'azote liquide. À l'heure actuelle il n'existe pas de supraconducteur dont la température critique est supérieure –135°C (soit 138 K), et encore moins à la température ambiante.
  • Lorsque la résistance électrique d'un matériau est nulle, les électrons dans ce matériau ont la possibilité de se déplacer sans provoquer d'effet Joule (échauffement par frottement). Lorsqu'un champ magnétique est appliqué à un ensemble d'électrons libres, ceux-ci se mettent à tourner sous l'influence du champ. En tournant, ces électrons induise à leur tour un champ magnétique, comme dans une bobine à induction. Le champ induit est opposé au champ appliqué, d'après la loi de Lens. Il en résulte qu'en chaque point du supraconducteur le champ appliqué est exactement compensé par le champ induit, d'où un champ magnétique total parfaitement nul dans le matériau. Seul un champ magnétique peut exister dans une couche très superficielle du matériau. L'aimant approché par le dessus de la pastille se retrouve en lévitation du fait de l'équilibre des forces magnétiques, appliqué et induite, et du poids.
  • Cependant un aimant cylindrique bipolaire est libre de tourner selon son axe de champ magnétique, car la cela ne modifie pas la répartition spatiale du champ magnétique. L'aimant tourne pendant un bon moment car les frottements avec l'air sont très faibles.
  • Certains parlent de cet effet comme d'un diamagnétisme géant, mais il ne s'agit pas de diamagnétisme a proprement parler.

5 En savoir plus

Une explication de ce phénomène n’a été donnée que plus tard, sur la base de la mécanique quantique. C’est la théorie BCS, des initiales de ses inventeurs : Bardeen, Cooper et Schriffer. Les électrons libres (particule à spin 1/2, de la famille des fermions) présents dans les métaux se regroupent sous forme d’une paire (dite paire de Cooper) et cette paire possède alors les caractéristiques d’un boson (famille de particules à spin entier). Il se crée une interaction entre cette paire d’électron et les vibrations (phonons) du réseau cristallin du métal. La paire de Cooper se déplacerait sur les vibrations, comme un surfeur sur une vague... Mais la théorie BCS ne permet d’expliquer que le comportement de certains supraconducteurs, ceux que l’on classe dans les supraconducteurs de type I (métaux). Pour les supraconducteurs de type II (alliages métalliques, céramiques et nano-objets), le phénomène est encore incompris à l’heure actuelle.

Les supraconducteurs ont déjà quelques applications :

  • Électroaimants superpuissants, pour les appareils de RMN (Résonance Magnétique Nucléaire).
  • Train à grande vitesse se déplaçant sans frottement car en sustentation magnétique au-dessus de la voie. Le Maglev (Magnetic Levitation), mis au point au Japon en 1962 a battu le record de vitesse : 581 km/h en 2003.

On peut imaginer la révolution technologique et énergétique qu’entraînerait la découverte de supraconducteurs à température ambiante :

  • Transport de l’électricité à très grande distance sans pertes par effet Joule.
  • Électroaimants superpuissants ne consommant que très peu d’énergie électrique.
  • Dans le domaine de l’informatique, s’il n’y a plus d’échauffement des circuits, alors la fréquence des calculs peut être augmentée considérablement, les ventilateurs ne sont plus nécessaires, d’où une miniaturisation des ordinateurs ou une concentration de la puissance de calcul pour un même volume.
  • Généralisation des systèmes de transport par lévitation magnétique, à l’image du Maglev.

6 Vidéo

Vidéo lors de la journée Physique en fête :

7 Références

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