B) La sustentation électrodynamique

 LA SUSTENTATION ELECTRODYNAMIQUE


La sustentation électrodynamique utilisée dans certains TLM est due au principe de la supraconductivité. La supraconductivité est la propriété que possèdent certains matériaux de conduire le courant électrique sans résistance à condition que leur température soit inférieure à une certaine valeur appelée température critique (Tc). Le plus souvent ces températures sont très basses, de l’ordre de 1 ou 10K au dessus du zéro absolue soit -273°C.

HISTORIQUE :

Ce phénomène fut découvert en 1911 par un physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes.En 1933, Meissner et Ochsenfeld découvrent que les supraconducteurs repoussent le champ magnétique, un phénomène connu sous l'appellation d'effet Meissner. Une théorie complète de la supraconductivité fut proposée en 1957 par John Bardeen, Leon Cooper et John Schrieffer. Connue comme théorie BCS, d'après leurs initiales, elle explique la supraconductivité par la formation de paires d'électrons (paires de Cooper) formant alors des bosons interagissant avec des phonons. Pour leur travail, les auteurs reçurent le prix Nobel de physique en 1972.

LE PRINCIPE :

Il ya deux familles de particules : les fermions et les bosons que l’on distingue par leur magnétisme. Seuls les bosons peuvent former des condensats. Un condensat de Bose-Einstein est un état de la matière formé de bosons à une température suffisamment basse. Cependant les électrons libres qui forment le courant, sont des fermions. Donc il faut qu’ils s’assemblent en paire de Cooper pour devenir des bosons et ainsi former un condensat. Ainsi ils forment une onde qui circule plus rapidement que le courant.

Donc l’objet ou le câble en métal est un simple conducteur à une température ambiante, les électrons qui forment le courant rebondissent sur les atomes du métal qu’ils parcourent. Ils perdent de leur énergie sous forme de chaleur.

Tandis qu’à -273°C, soit le séro absolue, certains métaux deviennent conducteurs. La supraconductivité permettrait notamment de transporter de l'électricité sans perte d'énergie, les applications potentielles sont donc stratégiques. En effet avec un câble supraconducteur on peut transporter 5 fois plus de courant qu’avec un câble normal.

La supraconductivité sert également à fabriquer des aimants surpuissants et lorsque que le courant électrique tourne dans une bobine, un champ magnétique apparaît. Lequel devient très puissant étant donné que les fils supraconducteurs entourant les bobines peuvent supporter des courants très intenses.

L’EFFET MEISSNER :

 

L'effet Meissner est l'exclusion totale de tout flux magnétique de l'intérieur d'un supraconducteur. Il a été découvert par Walther Meissner et Robert Ochsenfeld en 1933 et est souvent appelé l'effet Meissner-Ochsenfeld.

L'effet Meissner est l'une des propriétés définissant la supraconductivité et sa découverte a permis d'établir que l'apparition de la supraconductivité est une transition de phase. En physique, une transition de phase est une transformation du système étudié provoquée par la variation d'un paramètre extérieur particulier (température, champ magnétique...).

En effet, si l'on refroidit un matériau supraconducteur en présence d'un champ magnétique, le champ est expulsé au moment de la transition supraconductrice. Tandis qu'un matériau hypothétique présentant seulement la propriété de résistance nulle maintiendrait l'intensité (et le sens) du champ magnétique, qu'il aurait possédé lors de la transition, constante en son sein ; tant que cette propriété se maintiendrait. L'effet Meissner est donc une propriété des supraconducteurs qui est distincte de la conductivité infinie. En fait, l'effet Meissner est la propriété caractéristique principale d'un supraconducteur. Mais, cela ne peut se comprendre seulement par le fait que la résistance électrique d'un supraconducteur est nulle.

 

Paramètres permettant à un matériau d’être ou non supraconducteur

Un matériau devient supraconducteur lorsqu’il est soumis à une température en-deçà d’une température critique Tc. Cependant, cette propriété peut disparaître si ce matériau est soumis à un champ magnétique trop intense, c’est-à-dire, au-delà d’un champ magnétique critique Hc : celui-ci dépend de la température mais n’est en aucun cas proportionnel à Tc. En effet, on peut citer comme autre critère intervenant dans la valeur Hc, la forme de l’objet supraconducteur : un supraconducteur carré aura une valeur Hc moins grande qu’un supraconducteur ovale.

Néanmoins, il existe deux types de supraconducteurs :

  • Les supraconducteurs de première espèce ou de premier type :  la résistance au courant du matériau, elle est totalement nulle lorsque celui-ci est dans l’état supraconducteur.
  • Les supraconducteurs de deuxième ordre : la résistance au courant, est nulle à l’état supraconducteur, et à l’état mixte elle varie selon les matériaux.                                                                                       

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Les supraconducteurs de type 1 ne sont pas utilisés pour les trains car ceux-ci sont trop instables.supra-etat-normal.pngsupra-etat-supra.png

En utilisant des supraconducteurs de type 2, lorsque le champ magnétique de l’aimant est suffisamment important, celui-ci va pénétrer le supraconducteur par des vortex, ce qui va rendre la lévitation très stable.supra-etat-mixte.png

Voici quelques supraconducteurs de type 2 :

  • Nb : Tc=9K, Hc2=quelques Tesla (T)
  • NbTi : Tc=9.2K, Hc2=10T (utilisé pour les IRM)
  • Nb3Sn : Tc=15K, Hc2=25T (Ces matériaux ne sont pas utilisés pour les trains car leur Hc2 n’est pas suffisamment élevé)
  • YBaCuO7/Ag : Tc=92K, Hc2=50T
  • Bi2Sr2CaCu2O8 : Tc=85K, Hc2=100T (Ce dernier est le plus utilisé.)

Application au train

Ayant compris les propriétés des supraconducteurs et particulièrement ceux de types 2, nous allons pouvoir appliquer ce principe au train. Il existe, à nouveau, deux principes de fonctionnement. Celui du Maglev japonais fonctionne sur le même principe que les trains à sustentation électromagnétique : seulement, au lieu d'utiliser des électroaimants classiques, il contient des électroaimants supraconducteurs refroidis à l'hélium liquide. Une autre solution que celle proposée dans le cas de la sustentation électromagnétique, a donc été d'utiliser des bobines supraconductrices qui, lorsqu'elles sont parcourues par un courant, n'opposent aucune résistance à celui-ci . Le second est encore à l’état de prototype. Des aimants de néodyme sont disposés sur les rails, des aimants de pôle Nord sur l'extérieur et de pôle Sud à l'intérieur pour empêcher tout déraillement et pour garantir le maintien du train sur la voie.

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C'est comme si les lignes de champ enveloppaient le supraconducteur qui est lui, à l'intérieur du train, pour qu’il ne puisse pas dérailler et le fait d’utiliser des supraconducteurs de type 2 permet la stabilité du train . Le supraconducteur, placé à l’intérieur du train, a néanmoins besoin d’être refroidi tout au long du trajet.

train-supra2.png

Conclusion

La supraconductivité permet la lévitation du train. Cependant, elle ne le fait pas avancer, c’est pourquoi, il est nécessaire de lui trouver un moyen de propulsion. De plus, les supraconducteurs sont plus onéreux que des électroaimants classiques, si bien qu’il faut vérifier si ce prototype serait rentable économiquement. Enfin, nous n’avons pas suffisamment de renseignements sur l’impact des champs magnétiques sur la santé et sur notre environnement ; c’est pour ces raisons que ce type de train n’existe pas encore.

 

Voici une animation qui montre le principe de la supraconductivite, expérience réalisé par des élèves en deuxième année d'études à l'Ecole Polytechnique.

Ils ont versés de l'azote liquide pour refroidir le supraconducteur et permettre de créer un champs magnétique qui va être opposé à celui créer par les aimants qui composent le rail.

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