Les supraconducteurs et les matériaux supraconducteurs sont des métaux, des céramiques, des matériaux organiques ou des semi-conducteurs fortement dopés qui conduisent l’électricité sans résistance.
Les matériaux supraconducteurs peuvent transporter des électrons sans résistance, et donc ne dégager ni chaleur, ni son, ni aucune autre forme d’énergie. La supraconductivité se produit à la température critique (Tc) d’un matériau spécifique. Lorsque la température diminue, la résistance d’un matériau supraconducteur diminue progressivement jusqu’à atteindre la température critique. À ce moment-là, la résistance chute, souvent jusqu’à zéro, comme le montre le graphique de droite.
À l’heure actuelle, la plupart des matériaux doivent atteindre un état d’énergie extrêmement faible via des températures basses et/ou des pressions élevées afin d’obtenir la supraconductivité. Bien que des supraconducteurs de recherche efficaces à des températures plus élevées soient en cours de développement, la supraconductivité n’est généralement possible qu’avec des processus de refroidissement coûteux et inefficaces.
Les supraconducteurs présentent des caractéristiques uniques autres que leur capacité à conduire parfaitement le courant. Par exemple, beaucoup expulsent les champs magnétiques pendant la transition vers l’état supraconducteur. Ceci est dû à l’effet Meissner par lequel les matériaux supraconducteurs établissent des courants électriques près de leur surface à Tc, annulant ainsi les champs à l’intérieur du matériau lui-même. Un aimant stationnaire sur un supraconducteur démontre cet effet : lorsque le supraconducteur se refroidit en passant par sa température critique, l’expulsion du flux magnétique du conducteur fait léviter l’aimant au-dessus du matériau.
L’effet Meissner : le flux magnétique d’un supraconducteur au-dessus (à gauche) et au-dessous de la température critique.
Principes
Les principes des supraconducteurs peuvent être expliqués en examinant diverses formules. Tout d’abord, l’absence de résistance dans un supraconducteur transportant du courant peut être illustrée par la loi d’Ohm, R=V/I, où R est la résistance, V la tension et I le courant. Puisque les matériaux supraconducteurs transportent du courant sans tension appliquée, R=0. La supraconductivité n’implique pas non plus de perte de puissance, puisque la puissance est définie comme P=I2R ; puisque R est nulle dans un matériau supraconducteur, la perte de puissance est nulle.
Ces formules, ainsi que d’autres principes des supraconducteurs, sont expliquées dans la vidéo éducative ci-dessous.
Crédit vidéo : DrPhysicsA / CC BY-SA 4.0
Types
Les supraconducteurs sont classés en matériaux de type I et de type II.
Les matériaux de type I présentent au moins une certaine conductivité à température ambiante et comprennent principalement des métaux purs et des métalloïdes. Ils ont de faibles températures critiques, typiquement entre 0 et 10 K (-273°C et -263°C respectivement). Comme nous l’avons vu plus haut, ce type connaît une diminution soudaine de la résistance ainsi que l’expulsion complète des champs magnétiques (parfaitement diamagnétique) à la température critique.
Les métaux de type I atteignent la supraconductivité en ralentissant l’activité moléculaire via de basses températures. Selon la théorie BCS, cela crée un environnement propice à l’appariement de Cooper, de sorte que les paires d’électrons sont en mesure de surmonter les obstacles moléculaires, conduisant à un flux d’électrons libres sans tension appliquée.
Le cuivre, l’argent et l’or sont trois des meilleurs conducteurs métalliques mais ne sont pas supraconducteurs. Cela est dû à leurs structures de réseau de cellules unitaires cubiques à faces centrées (FCC), qui sont si serrées que les vibrations du réseau à basse température essentielles à la supraconductivité ne parviennent pas à contraindre les électrons libres à former des paires de Cooper. Si certains métaux FCC comme le plomb sont capables de supraconductivité, cela est dû à des facteurs extérieurs comme le faible module d’élasticité du plomb.
La plupart des matériaux de type II sont des composés ou des alliages métalliques, bien que le vanadium, le technétium et le niobium élémentaires fassent également partie de ce groupe. Ils sont capables de supraconductivité à des températures critiques beaucoup plus élevées. Par exemple, les essais effectués en 2015 sur le Sn8SbTe4Ba2MnCu14O28+ ont donné une Tc de 400 K (+129°C), soit plus de 100°C au-dessus de la température ambiante, bien que les matériaux de type II plus courants aient des températures critiques comprises entre 10 et 130 K. En 2015, il n’y a pas de consensus scientifique sur la raison de ces températures critiques plus élevées.
Les matériaux de type II prennent également un état mixte, qui contraste avec la résistance plongeante à Tc pour les matériaux de type I, lorsqu’ils approchent de leur température critique. Les états mixtes sont causés par le fait que les supraconducteurs de type II n’expulsent jamais complètement les champs magnétiques, de sorte que des « bandes » supraconductrices microscopiques peuvent être vues sur le matériau.
Autres classifications
La classification selon les types ci-dessus se fait théoriquement par le comportement du champ magnétique. Les matériaux de type I ont une seule température de champ critique au-dessus de laquelle la supraconductivité cesse complètement, tandis que les matériaux de type II ont deux points de champ critique entre lesquels un état mixte peut exister. Une autre méthode de classification des supraconducteurs est celle de la température, les matériaux « basse température » étant inférieurs à la supraconductivité refroidie par azote liquide et les matériaux « haute température » étant supérieurs à celle-ci. Les matériaux à basse température peuvent être refroidis en utilisant des gaz liquides tels que le néon, l’hydrogène et l’hélium.
Une liste complète des températures critiques pour les matériaux supraconducteurs peut être trouvée ici pour le type I et ici pour le type II.
Le graphique ci-dessous illustre cette distinction, ainsi qu’une chronologie montrant l’histoire des découvertes de la température critique. Les matériaux dont la température critique est supérieure au point d’ébullition de l’azote liquide (environ 77 K) sont connus comme des matériaux à haute température. L’augmentation spectaculaire de la Tc observée au milieu du graphique est le résultat de la découverte de cuprates et de pérovskites supraconducteurs à haute Tc en 1986 et 1987.
Facteurs de forme des produits
Les fournisseurs de supraconducteurs et de matériaux supraconducteurs proposent des produits sous différentes formes, dont certaines sont énumérées ci-dessous.
Les matériaux supraconducteurs bruts comprennent des composés chimiques sous forme de poudres ou de cristaux. La poudre supraconductrice est incorporée dans la fabrication de piles à combustible plus efficaces, de membranes de séparation des gaz et de batteries lithium-ion.
Les aimants sont produits pour les applications MAGLEV et IRM, comme indiqué ci-dessous, ainsi que pour la microscopie et la spectroscopie RMN/EPR.
Les fils et les câbles sont utilisés pour la transmission d’énergie supraconductrice et la recherche scientifique dans les champs magnétiques ultra-hauts.
Les fabricants de supraconducteurs peuvent se spécialiser dans l’avancement d’un certain composé supraconducteur, comme les formules à base de niobium ou le diborure de magnésium (MgB2).
Applications
Les supraconducteurs ne sont pas disponibles à une large échelle commerciale en raison du refroidissement important nécessaire pour atteindre les états supraconducteurs. Ils sont courants dans quelques applications spécialisées, notamment :
Les trains MAGLEV utilisent des aimants supraconducteurs pour pratiquement éliminer la friction entre le train et les rails. L’utilisation d’électroaimants conventionnels gaspillerait de grandes quantités d’énergie par perte de chaleur et nécessiterait l’utilisation d’un aimant peu maniable, alors que les supraconducteurs permettent d’obtenir une efficacité supérieure et des aimants plus petits.
L’imagerie par résonance magnétique (IRM) utilise des champs magnétiques générés par des supraconducteurs pour interagir avec des atomes d’hydrogène et des molécules de graisse dans le corps humain. Ces atomes et molécules libèrent alors de l’énergie qui est détectée et formée en une image graphique. L’IRM est une méthode radiographique largement utilisée pour le diagnostic médical ou la stadification de maladies telles que le cancer.
Les générateurs électriques construits avec du fil supraconducteur ont atteint des taux d’efficacité de 99% dans des tests expérimentaux mais n’ont pas encore été construits commercialement.
La production d’énergie électrique à l’aide de câbles et de transformateurs supraconducteurs a été testée et démontrée expérimentalement.
Normes
Diverses normes et manuels publiés traitent de la supraconductivité et des supraconducteurs. Citons par exemple :
- BS EN 61788-Supraconductivité (série)
- IET-Théorie électrodynamique des supraconducteurs
- Wiley-Matériaux semi-conducteurs en vrac à haute température
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