Supraconductivité

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Un aimant en lévitation au-dessus d’un supraconducteur refroidi à –196°C.

La supraconductivité est la propriété de certains matériaux qui, suffisamment refroidis, présentent au passage du courant électrique, une résistance nulle.

Isolants et conducteurs[modifier | modifier le wikicode]

Les matériaux peuvent se classer en deux catégories : les isolants, qui ne conduisent pas l'électricité (par exemple le bois) et les matériaux conducteurs (par exemple les métaux). Dans ces derniers, un courant électrique (mesuré en ampères) apparaît lorsqu'on applique une différence de potentiel (mesurée en volts).

Au niveau microscopique, le courant correspond à des électrons se déplaçant à grande vitesse dans le matériau. La situation est analogue à celle d'une rivière. Les électrons correspondent aux molécules d'eau. Le courant électrique est analogue au débit de la rivière, c’est-à-dire à la quantité d'eau qui passe par seconde. Plus l'eau va vite et plus le débit est important. De la même manière, plus les électrons ont une grande vitesse et plus le courant est important. Alors que le courant électrique est provoqué par une différence de potentiel, l'eau s'écoule parce qu'il y a une différence de hauteur entre l'amont et l'aval de la rivière.

Puisqu'il y a toujours des obstacles qui viennent freiner l'eau (pierres, plantes dans la rivière et surtout les berges), le débit d'une rivière est limité. De la même manière, aucun métal n'est parfaitement pur : il y a toujours des atomes d'impuretés ou des défauts dans l'empilement des atomes qui ralentissent les électrons. On parle de résistance électrique. Plus la résistance est grande et plus il faut une différence de potentiel importante pour un même courant électrique, car une grande résistance implique de grandes pertes de courant par effet Joule. Pour cette raison, on perd une partie importante de l'électricité dans les câbles qui transportent le courant de l'usine électrique aux maisons ou aux entreprises. C'est aussi pour cela que les ordinateurs chauffent et qu'il faut des ventilateurs tournant en permanence pour les refroidir.

Supraconducteurs[modifier | modifier le wikicode]

En 1911, on a découvert par hasard qu'en refroidissant certains conducteurs à de très basses températures, leur résistance électrique devenait subitement nulle : tout se passe comme si plus rien ne s'opposait au passage du courant électrique. Pourtant les impuretés sont toujours présentes ! Puisque les électrons ne sont plus freinés, ils se déplacent librement et indéfiniment. Si on crée un courant électrique dans une boucle fermée, les électrons ne cesseront jamais de tourner. Pour cette raison, on utilise des matériaux supraconducteurs pour fabriquer des électro-aimants très puissants (comme ceux utilisés par exemple au LHC). Malheureusement, il reste nécessaire d'aller à très basse température pour observer la supraconductivité, ce pourquoi il n'y en a pas encore d'application pour les particuliers.

La locomotive d’un train japonais à suspension magnétique.

Un autre effet spectaculaire de la supraconductivité est la répulsion des champs magnétiques. Lorsqu'on approche un aimant d'un supraconducteur, il apparaît des courants électriques dans le matériau supraconducteur. Cela forme un électro-aimant qui crée un second champ magnétique qui s'oppose exactement à celui qu'on a appliqué. Le supraconducteur repousse alors l'aimant. La force est suffisante pour faire « flotter » un supraconducteur au-dessus d'un aimant ! On parle de lévitation. Cette propriété a été utilisée pour construire des trains sans roue qui ne touchent pas les voies ! Les rails sont remplacés par des aimants et le plancher du train contient un matériau supraconducteur de sorte que le train vole au-dessus des voies. Le train le plus rapide au monde est un train japonais de ce type.

La température à partir de laquelle un conducteur devient supraconducteur est appelée température critique. Elle est généralement très basse. Pour la première génération de supraconducteurs, cette température ne dépassait guère 30 kelvins, c’est-à-dire 30 degrés au-dessus du zéro absolu ou encore –240°C ! Pour atteindre cette température, on utilise généralement de l'hélium liquide. Alors que la vapeur d'eau devient liquide à 100 °C, l'hélium se liquéfie à –269 °C ! Évidemment, cela coûte cher et nécessite beaucoup d'équipements.

En 1986, on a découvert, toujours par hasard, de nouveaux matériaux supraconducteurs dont la température critique est beaucoup plus élevée. Pour cette raison, on parle de supraconducteurs haute-température. Il n'est plus nécessaire d'avoir recours à l'hélium liquide car l'azote liquide (liquide sous –196 °C quand même) suffit. La supraconductivité est ainsi devenue plus abordable ; malheureusement, on n'a toujours pas découvert de supraconducteurs à température ambiante.

Il a fallu plus de 40 ans pour comprendre la supraconductivité des supraconducteurs de première génération. À basse température, les électrons se regroupent par paires. Lorsqu'on applique une différence de potentiel entre deux points, ils se déplacent ainsi de l’un à l’autre deux par deux. Le courant électrique est alors un mouvement de paires d'électrons. Ces paires ne sont pas freinées par les impuretés comme les électrons dans un conducteur normal ; en effet, les paires sont déjà dans l'état quantique de plus basse énergie. Elles ne peuvent donc pas perdre d'énergie, puisqu'elles n'en ont pas assez !

En revanche, on ne comprend toujours pas la supraconductivité dans les matériaux haute-température découverts après 1986.

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