La Supraconductivité

1. Séminaire de physique La Supraconductivité Présenté par Mohamadou Gueye Sous la direction deNicolas Clay ton, Maître Assistant à l’université de Genève Le 17 Mai 2005

2. Plan • Introduction – Définition de la Supraconductivité • Supra en champ : le type 1 et le type 2 • Application avec les Aimants supraconducteurs : MRI et CERN • Câbles Supra pour le transport de courant fort

3. Introduction • Définition :La supraconductivité : De quoi s’agit-il ? • La supraconductivité est un phénomène qui a lieu à des températures très basses et pour le quel un métal perd toute résistance électrique. • C’est Kamerling Onnes qui observa pour la première fois ce phénomène à Leide en 1911. A une température critique Tc l’échantillon voit une transition de phase d’un état de résistivité électrique normale, à un état supraconducteur. • Onnes s’est rendu compte en refroidissant le mercure Hg à très basse température que celui-ci passe brusquement dans un état ou il n’offre plus aucune résistance au passage du courant électrique .Cette transition se manifeste par une chute très brutale de résistivité.

4. Exemple de Supraconductivité Échantillon de Ru-cuprate sur la quelle j’ai effectué des mesures Résistance nulle pour T < 50 K Cette température est la limite supérieure pour la supraconductivité Elle est appelée température critique, Tc

5. Caractéristiques Principales de la Supraconductivité • 1)Absence de Résistance pour T < Tc (Température critique ) • Effet Meissner • Description : En 1939 Meissner et Ochsenfeld observent un effet de lévitation à partir d’un échantillon de plomb supra : La présence de l’aimant entraîne dans le supra un courant de surface qui crée un champ magnétique qui s’oppose à celui de l’aimant et le repousse. • Expulsion d’un champ magnétique externe jusqu’à une certaine valeur Hc • Ce qu’on retrouve uniquement dans le supra car les métaux n’expulsent pas de champ . • .

6. Supra en Champ Les différents types de supraconducteurs : • Deux paramètres importants : • Profondeur de pénétration  • Longueur de cohérence  • Limite K = /  • Par la formule K = /  • K<1/2 ½ Type 1 , K>1/2 ½ Type 2 Type 1 Dans ce type le champ extérieur est expulsé jusqu’à une certaine valeur. Après, destruction du supra

7. Figures des deux types de Supra c T

8. Description de Supraconductivité type 2 • K>1/2 ½ • Dans le type 2 l’application d’un champ B développe jusqu'à une certaine valeur un champ critique Bc1 dans le supra. • Au dessus de Bc1 est crée un état mixte ou le supra coexiste avec le champ. • A l’intérieur du supra le champ se manifeste en forme de lignes de flux • Chaque ligne de de flux apporte un champ Φ =h / 2e • Plus le champ extérieur augmente plus le nombre de ligne de flux augmente

9. Destruction de la Supraconductivité type 2 Mais si on continue d’appliquer le champ Bc1 passe à une valeur Bc2 qui détruit le Supra avec un regroupement du flux. Regroupement de flux détruit la supraconductivité

10. Les paramètres critiques Les différences se retrouvent au niveau des trois paramètres essentiels à la supraconductivité : • Le courant critique Ic • Le champ critique Hc • La température critique Tc.

11. La Théorie BCS • Son idée de base est que les électrons (ou une partie d’entre eux ) s’attirent plus qu’ils ne se repoussent naturellement et se couplent en paire (Cooper paire). • L’origine de l’attraction est liée à la vibration des ions (que l’on appelle un phonon). • Il faut apporter une certaine énergie pour casser les Cooper paires d’électrons. Alors qu’en basse température cette énergie n’est pas disponible. • Cet ensemble, n’ayant plus de raisons d’interagir avec son environnement, n’est plus à l’origine d’une résistance .

12. Exemple du RU-1212 en présence de champ magnétique • A partir des mesures comme celle-ci on peut tirer les paramètres de l’échantillon supra. • Par exemple dans cette mesure la longueur de cohérence est de 50 Angstrom • La longueur de cohérence est la mesure de la taille des Cooper paires

13. Application de la supraconductivité • Actuellement, une des applications les plus importantes de la supraconductivité est la fabrication d’aimants. • Puisque qu’aucune énergie n ’est perdue dans le supraconducteur, il est possible de transporter des courants énormes dans les fils. • Les aimants fabriqués à l ’aide de fils supraconducteurs sont couramment utilisés dans le domaine médical et dans celui de la recherche.

14. Aimant MRI (Imagerie à Résonance Magnétique) Cette image montre scanner fabriqué par la firme Siemens. Dans ce système, le champ magnétique est généré par un aimant supraconducteur. Un tel appareil permet de sonder l ’intégralité du corps humain depuis son extérieur.

15. Mode d’Opération • Le champ intense, crée par l’aimant supra, aligne les spins nucléaires du patient • On applique ensuite un champ pulse à 90° • Puis on arrête le champ pulse et on mesure le temps pour que le spin se réaligne avec le champ externe intense • Ce temps dépend du type d’atome et de son environnement Cette mesure permet de diagnostiquer le corps du patient

16. Caractéristique de l’aimant • L’aimant est fabriqué avec du supra NbTi avec un Tc de 10K • Le champ crée par cet aimant est de 1.5 Tesla à 3 Tesla • L’aimant est refroidi avec 1000 L d’He liquide à 4K • Le système est autonome pendant 1 année • Fabriqué par Siemens et General Electric

17. Aimant LHC (grand collisionneur de Hadron) au CERN Cet aimant fait parti du nouvel accélérateur de particules du CERN. A l ’aide de cette machine, les physiciens vont pouvoir améliorer leur compréhension de la physique fondamentale.

18. Caractéristique de l'aimant LHC • C’est aussi un alliage de NbTi • Le champ crée est de 9 Tesla le système est refroidi avec l’He liquide jusqu’à 1.8 K • Chaque aimant est de 15 m de long et pèse 35 tonnes • Au total il faut 1232 de ces aimants pour construire le LHC • C’est un aimant pour faire circuler les protons à une énergie de 14 Tev • Une telle énergie est nécessaire pour la création de nouvelles particules

19. Les Câbles Supraconducteurs • Ces Câbles supra sont utilisés pour remplacer les câbles en cuivre pour le transport de l’électricité dans les villes • Ceux sont des câbles à supra haute Tc Bi-2212 ou Bi-2223 • Ils sont refroidis avec L’azote liquide à 77K • Dans ce schéma on a une câble à 3 phases • Chaque phase peut être transformer en secteur 240 volts • Ces câbles donnent moins de perte par rapport au cuivre

20. Exemples de câbles Supra Câble supra Cuivre entouré de fil supra Câble supra

21. Enjeux économiques 1. Coût matériel ces câbles supra: Elles coûtent chères du fait de leur gaine en Argent. L’argent est le seul matériel qui n’agit pas avec le supra haut Tc 2.Coût du refroidissement : L’azote liquide est les réfrigérateurs Le tout donne un prix total de 50 $/kA.m Le prix du cuivre utilisé actuellement est de 1$/kA.m Il faut améliorer la performance des câbles supra ou diminuer leur prix pour les rendre compétitives par rapport au cuivre.

22. Conclusions • On caractérise la supraconductivité par une résistance nulle pour des températures en dessous de Tc • Deux types de supra dont le type 2 est utilisé pour les applications • Application principale est les aimants pour le MRI et le CERN • Il faut améliorer les câbles supra pour remplacer le cuivre dans le future

23. Je termine par ce tableau qui nous indique quelques elements hautzes TcLongueur de cohérence • C’est une mesure de la distance au dessous de la quelle la concentration en électrons supraconducteurs ne peut varier énormément dans un champ magnétique variable dans l’espace. Conclusion

24. La profondeur de pénétration • Elle mesure la profondeur de pénétration du champ magnétique • On l’appelle aussi la profondeur de pénétration de London • Formule