Supraconducteurs

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Qu'est-ce qu'un supraconducteur ?

Un supraconducteur est un matériau qui peut conduire le courant électrique sans résistance. Les supraconducteurs ne sont cependant pas seulement des conducteurs parfaits, mais aussi des aimants diamagnétiques parfaits.

Un aimant diamagnétique repousse un champ magnétique et l'affaiblit à l'intérieur. Un supraconducteur peut atténuer complètement le champ magnétique et le repousser de l'intérieur. Les lignes de champ entourent complètement le supraconducteur. L'équivalent des aimants diamagnétiques sont les para-aimants et les ferro-aimants qui renforcent un champ magnétique extérieur.

Table des matières

La supraconductivité est sans doute l'une des découvertes les plus fascinantes de la physique moderne. Il est déjà très impressionnant qu'un matériau ne possède aucune résistance électrique. Mais ce sont surtout les images montrant un supraconducteur flottant au-dessus du pôle d'un aimant permanent ou inversement qui sont devenues mondialement connues.

Illustration schématique d'une image souvent montrée dans la presse : un petit aimant flotte au-dessus d'une plaquette supraconductrice (en noir).

À des températures très basses, de nombreux matériaux deviennent supraconducteurs. Le plomb, par exemple, devient supraconducteur à la température de l'hélium liquide (4 K, environ - 270°C). Ces températures extrêmement basses confèrent à la supraconductivité une fascination supplémentaire. Aujourd'hui, des recherches sont menées sur les supraconducteurs à haute température. Néanmoins, ces matériaux identifiés nécessitent toujours des températures très basses. Des matériaux céramiques aux propriétés particulières deviennent supraconducteurs à environ -100°C. Mais pour cela, un refroidissement extrême, par exemple avec de l'azote liquide, est toujours nécessaire.

Quiconque a déjà essayé de faire léviter un aimant permanent en le maintenant avec un pôle au-dessus du pôle identique d'un aimant couché (par exemple pôle nord contre pôle nord) sait à quel point cela est difficile, voire impossible. En revanche, un supraconducteur flotte de manière stable dans le champ magnétique, bien qu'il ne soit pas lui-même un aimant. Si l'on met le supraconducteur en contact avec un ferro-aimant (par exemple du fer), on ne constate aucune force magnétique.

Pourquoi un supraconducteur flotte-t-il dans un champ magnétique ?

La raison des forces magnétiques répulsives entre un supraconducteur et un champ magnétique est le diamagnétisme du supraconducteur.

De nombreux matériaux sont diamagnétiques. Il en est ainsi de l'eau. Les aimants diamagnétiques ne possèdent pas d'aimants élémentaires comme les para-aimants ou les ferro-aimants qui peuvent s'orienter dans un champ magnétique extérieur. Mais il y a un effet d'induction lorsqu'un aimant diamagnétique est placé dans un champ magnétique extérieur.

Il se produit une induction d'un courant dans le matériau qui provoque un moment magnétique. Selon la règle de Lenz, ce dernier est dirigé à l'opposé du champ magnétique extérieur. Il en résulte une force faiblement répulsive. Avec des champs magnétiques extrêmement puissants, il a ainsi déjà été possible de faire flotter une grenouille en tant qu'être vivant contenant de l'eau.

Un aimant diamagnétique (par exemple l'eau) est donc repoussé lorsqu'il est introduit dans le champ magnétique, quoique très faiblement. La force de répulsion entre les champs magnétiques et les aimants diamagnétiques est uniquement forte dans le cas des supraconducteurs. C'est pourquoi les supraconducteurs sont également appelés "aimants diamagnétiques parfaits". Ils présentent une magnétisation qui supplante complètement la densité de flux magnétique à l'intérieur du supraconducteur. En raison de l'effet diamagnétique répulsif, le supraconducteur flotte même au-dessus d'un aimant relativement faible.

La perméabilité magnétique des supraconducteurs

Pour décrire l'intensité de la magnétisation, la perméabilité μ magnétique est introduite.

Dans un champ magnétique extérieur H₀, on observe une magnétisation M. Le champ magnétique total H en présence du matériau est obtenu en multipliant le champ magnétique extérieur H₀ par la perméabilité μ: H= μ•H₀.

Ce champ magnétique est la somme du champ magnétique extérieur H₀ et de la magnétisation M du matériau :

H=M+H₀.

Il s'applique donc pour la magnétisation : M=H-H₀=μ•H₀-H₀=(μ-1)•H₀.

Ce facteur (μ-1) est également appelé susceptibilité χ et il en résulte M=χ•H₀. Les matériaux paramagnétiques et ferromagnétiques ont une perméabilité supérieure à 1. La susceptibilité magnétique est donc supérieure à zéro. La perméabilité des matériaux diamagnétiques est légèrement inférieure à 1, la susceptibilité est donc inférieure à zéro. Pour un supraconducteur, la perméabilité magnétique est μ=0 et la susceptibilité χ=-1. Ainsi, le flux magnétique ne pénètre plus du tout dans le supraconducteur. On peut aussi supposer que dans les supraconducteurs, la magnétisation est égale au champ extérieur incident, mais en sens inverse. C'est pourquoi le champ extérieur est compensé dans le supraconducteur.

Un supraconducteur ne possède donc aucune perméabilité à la densité de flux magnétique. Il a une résistance magnétique infiniment grande. Le supraconducteur repousse complètement le flux magnétique de son intérieur.

L'illustration montre le tracé des lignes de champ magnétique H en présence d'un matériau paramagnétique ou ferromagnétique (μ =2,χ=1) (à gauche) et en présence d'un supraconducteur avec (μ =0, χ =-1) (à droite). Le champ incident initial est indiqué par une flèche bleue et la magnétisation par une flèche rouge.

Dans un matériau ferromagnétique, la magnétisation est positive et donc orientée dans le même sens que le champ initial. C'est toujours le cas lorsque χ > 0, le matériau "absorbe" donc le champ magnétique dans le même sens et le renforce ainsi.

En revanche, dans un aimant diamagnétique, la magnétisation est justement opposée au champ incident. Le champ absorbé est négatif et donc χ < 0.

Alors que l'amplification positive du champ peut même être plusieurs fois supérieure au champ incident, l'atténuation négative peut atteindre au maximum la compensation complète du champ. Cette compensation complète se produit dans les supraconducteurs. Pour le supraconducteur s'applique χ = -1, donc μ = 0. Le supraconducteur ne laisse donc passer aucun champ. Par conséquent, un supraconducteur est un "aimant diamagnétique parfait".

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Auteur:
Dr Franz-Josef Schmitt

Dr. Franz-Josef Schmitt est physicien et directeur scientifique des cours pratiques avancés de physique à l'université Martin-Luther de Halle-Wittenberg. Il a travaillé à l'université technique de 2011 à 2019 et a dirigé divers projets pédagogiques ainsi que le laboratoire de projets en chimie. Ses recherches se concentrent sur la spectroscopie de fluorescence résolue en temps sur des macromolécules biologiquement actives. Il est également directeur de Sensoik Technologies GmbH.

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