Exercice corrigé Ancien programme

Supraconducteur

n Un matériau supraconducteur perd toute résistance électrique si on abaisse suffisamment sa température. Ainsi le métal mercure devient supraconducteur à la pression ambiante lorsque sa température est inférieure à 4 K. Par ailleurs un supraconducteur est aussi sujet à l'effet dit « Meissner », c'est-à-dire qu'il peut « repousser » un champ magnétique que l'on cherche à lui imposer (les lignes du champ magnétique ne peuvent pas le pénétrer).

Effet Meissner

Le champ magnétique de l'aimant ne peut pénétrer le matériau supraconducteur.

n Depuis 1911 de nombreux matériaux se sont révélés être supraconducteurs (à basse température) : métaux et alliages (plomb, zinc, nitrure de niobium…).

Éléments supraconducteurs connus

Le tableau montre les éléments supraconducteurs à pression atmosphérique et ceux qui le deviennent à haute pression (et basse température !).

n Il existe une théorie (dite théorie BCS) qui explique le comportement supraconducteur de certains corps. On les nomme parfois supraconducteurs conventionnels. Ceux qui sont mal décrits par cette théorie sont dit non conventionnels. Depuis le milieu des années 1980 on a découvert des céramiques supraconductrices à plus haute température que les métaux, par exemple : YBa2Cu3O7 supraconductrice à 92 K.

On a également découvert des supraconducteurs organiques et d'autres à base de fullerène C60, par exemple : Rb3C60 supraconducteur à 27 K.

Les applications des supraconducteurs sont nombreuses :

  •  Le LHC (Large Hadron Collider au CERN en Suisse) utilise des électroaimants supraconducteurs produisant un champ magnétique de l'ordre de 10 T.
  •  Les projets de trains à lévitation magnétique : sustentation sans contact avec les rails (au Japon, un train expérimental a atteint une vitesse de l'ordre de 550 km/h).
  •  Confinement du plasma dans les tokamaks à l'aide d'aimants supraconducteurs produisant de forts champs magnétiques (20 T et plus), en particulier pour la fusion thermonucléaire.
  •  IRM (imagerie par résonance magnétique) dans le domaine médical, qui nécessite de forts champs magnétiques fixes.

D'autres recherches sont en cours :

  •  ordinateur à base de composants supraconducteurs permettant d'augmenter la vitesse de calcul 
  •  transport de courants forts sur de courtes distances.

1. En synthétisant le texte ci-dessus, définir ce qui caractérise un matériau supraconducteur. Peut-on les répartir en différentes catégories ?

2. En analysant le texte ci-dessus, expliquer quelle propriété des supraconducteurs est le plus souvent utilisée dans les applications présentes et futures.

3. Préciser pourquoi un matériau supraconducteur peut permettre à un ordinateur de calculer plus rapidement.

4. En utilisant le texte ci-dessus, définir les différentes catégories de supraconducteurs. Donner à chaque fois un exemple.

5. L'effet Meissner est-il utilisé dans les applications industrielles ?

1. Un matériau supraconducteur perd toute résistance électrique et est le siège de l'effet Meissner en dessous d'une température critique qui lui est propre. On distingue les supraconducteurs conventionnels (décrits par la théorie BCS) et les autres (non conventionnels).

2. Dans les applications présentées dans le texte, la principale propriété utilisée est l'absence de résistance électrique : cela permet de faire passer un très fort courant électrique qui engendre un très fort champ magnétique (et cela sans perte d'énergie puisqu'il n'y a pas d'effet Joule). Les champs magnétiques obtenus sont de l'ordre de 10 T.

3. La principale limitation à la miniaturisation des processeurs est la perte par effet Joule, qui peut augmenter dangereusement leur température. Les intensités électriques mises en jeu sont faibles, mais les composants sont petits, d'où des températures qui peuvent atteindre et dépasser les 60 °C. Si on utilise des connections supraconductrices on peut limiter les pertes par effet Joule, et donc miniaturiser encore plus les composants, c'est-à-dire augmenter la vitesse de calcul.

4. On peut ranger les supraconducteurs dans différentes catégories :

  •  supraconducteurs basses températures (mercure) 
  •  supraconducteur hautes températures (céramiques de type YBa2Cu3O7
  •  supraconducteur basse température et basse pression (titane) 
  •  supraconducteur basse température et haute pression (par exemple l'arsenic As).

5. L'effet Meissner est une caractéristique des supraconducteurs, mais il n'existe pas d'application industrielle qui l'utilise pour le moment.

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