Supraconductivité

Les conducteurs perdent toute leur résistance électrique lorsqu'ils sont refroidis à des températures très basses (près du zéro absolu, environ -273° Celsius). Il faut comprendre que la supraconductivité n'est pas simplement une extrapolation de la tendance de la plupart des conducteurs à perdre progressivement de la résistance avec la diminution de la température ; il s'agit plutôt d'un saut quantique soudain de résistivité du fini au néant. Un matériau supraconducteur a une résistance électrique absolument nulle, pas seulement une petite quantité .

La supraconductivité a été découverte pour la première fois par H. Kamerlingh Onnes à l'Université de Leyde, aux Pays-Bas, en 1911. Trois ans plus tôt, en 1908, Onnes avait développé une méthode de liquéfaction de l'hélium gazeux, qui fournissait un milieu avec lequel surfusion des objets expérimentaux à juste quelques degrés au-dessus du zéro absolu. Décidant d'étudier les changements dans la résistance électrique du mercure lorsqu'il est refroidi à cette température basse, il a découvert que sa résistance tombait à rien juste en dessous du point d'ébullition de l'hélium.

Il y a un débat sur exactement comment et pourquoi les matériaux supraconducteurs sont supraconducteurs. Une théorie soutient que les électrons se regroupent et voyagent par paires (appelées paires de Cooper ) dans un supraconducteur plutôt que de voyager indépendamment, et cela a quelque chose à voir avec leur écoulement sans friction. Chose intéressante, un autre phénomène de températures ultra-froides, la superfluidité , se produit avec certains liquides (en particulier l'hélium liquide), entraînant un écoulement sans friction des molécules.

La supraconductivité promet des capacités extraordinaires pour les circuits électriques. Si la résistance des conducteurs pouvait être entièrement éliminée, il n'y aurait pas de pertes de puissance ou d'inefficacités dans les systèmes d'alimentation électrique dues aux résistances parasites. Les moteurs électriques pourraient être rendus presque parfaitement (100%) efficaces. Des composants tels que des condensateurs et des inductances, dont les caractéristiques idéales sont normalement gâchées par des résistances de fil inhérentes, pourraient être rendus idéaux dans un sens pratique. Déjà, certains conducteurs, moteurs et condensateurs supraconducteurs pratiques ont été développés, mais leur utilisation à l'heure actuelle est limitée en raison des problèmes pratiques intrinsèques au maintien de températures très froides.

La température seuil pour qu'un supraconducteur passe de la conduction normale à la supraconductivité est appelée la température de transition . Les températures de transition pour les supraconducteurs « classiques » se situent dans la gamme cryogénique (proche du zéro absolu), mais de nombreux progrès ont été réalisés dans le développement de supraconducteurs « haute température » ​​qui supraconducteurs à des températures plus chaudes. Un type est un mélange céramique d'yttrium, de baryum, de cuivre et d'oxygène qui passe à une température relativement douce de -160° Celsius. Idéalement, un supraconducteur devrait pouvoir fonctionner dans la plage des températures ambiantes, ou au moins dans la plage des équipements de réfrigération bon marché.

Les températures critiques pour quelques substances courantes sont indiquées ici dans ce tableau. Les températures sont données en kelvins, qui ont la même étendue incrémentielle que les degrés Celsius (une augmentation ou une diminution de 1 kelvin correspond à la même variation de température que 1° Celsius), uniquement décalée de sorte que 0 K soit le zéro absolu. De cette façon, nous n'avons pas à gérer beaucoup de chiffres négatifs.

Matériel Élément/Alliage Temp. critique (K) AluminiumÉlément1.20CadmiumÉlément0,56PlombÉlément7.2MercureÉlément4.16NiobiumÉlément8.70ThoriumÉlément1.37ÉtainÉlément3.72TitaniumÉlément0.39UraniumÉlément1.0ZincÉlément0.91Niobium/ÉtainAlliage18.1Sulfure cuivriqueComposé 1.6

Les matériaux supraconducteurs interagissent également de manière intéressante avec les champs magnétiques. Dans l'état supraconducteur, un matériau supraconducteur aura tendance à exclure tous les champs magnétiques, un phénomène connu sous le nom d'effet Meissner . Cependant, si l'intensité du champ magnétique s'intensifie au-delà d'un niveau critique, le matériau supraconducteur sera rendu non supraconducteur. En d'autres termes, les matériaux supraconducteurs perdront leur supraconductivité (peu importe à quel point vous les refroidissez) s'ils sont exposés à un champ magnétique trop puissant. En fait, la présence de tout Le champ magnétique a tendance à abaisser la température critique de tout matériau supraconducteur :plus le champ magnétique est présent, plus vous devez refroidir le matériau avant qu'il ne devienne supraconducteur.

Il s'agit d'une autre limitation pratique des supraconducteurs dans la conception de circuits, car le courant électrique à travers n'importe quel conducteur produit un champ magnétique. Même si un fil supraconducteur aurait une résistance nulle pour s'opposer au courant, il y aura toujours une limite de la quantité de courant qui pourrait pratiquement traverser ce fil en raison de sa limite de champ magnétique critique.

Il existe déjà quelques applications industrielles des supraconducteurs, notamment depuis l'avènement récent (1987) de la céramique yttrium-baryum-cuivre-oxygène, qui ne nécessite que de l'azote liquide pour se refroidir, contrairement à l'hélium liquide. Il est même possible de commander des kits de supraconductivité auprès de fournisseurs éducatifs qui peuvent être utilisés dans les laboratoires des lycées (azote liquide non inclus). En règle générale, ces kits présentent une supraconductivité par effet Meissner, en suspendant un minuscule aimant dans les airs au-dessus d'un disque supraconducteur refroidi par un bain d'azote liquide.

La résistance nulle offerte par les circuits supraconducteurs a des conséquences uniques. Dans un court-circuit supraconducteur, il est possible de maintenir indéfiniment des courants importants avec une tension appliquée nulle !

Il a été prouvé expérimentalement que les anneaux de matériau supraconducteur maintiennent un courant continu pendant des années sans tension appliquée. Autant que l'on sache, il n'y a pas de limite de temps théorique à la durée pendant laquelle un courant non assisté pourrait être maintenu dans un circuit supraconducteur. Si vous pensez que cela semble être une forme de mouvement perpétuel , tu as raison! Contrairement à la croyance populaire, il n'y a pas de loi physique interdisant le mouvement perpétuel; plutôt, l'interdiction s'oppose à toute machine ou système générant plus d'énergie qu'il n'en consomme (ce que l'on appellerait une sur-unité appareil). Au mieux, tout ce à quoi une machine à mouvement perpétuel (comme l'anneau supraconducteur) serait bonne serait de stocker énergie, pas générer librement !

Les supraconducteurs offrent également d'étranges possibilités n'ayant rien à voir avec la loi d'Ohm. Une de ces possibilités est la construction d'un appareil appelé Josephson Junction , qui agit comme une sorte de relais, contrôlant un courant avec un autre courant (sans pièces mobiles, bien sûr). La petite taille et le temps de commutation rapide de Josephson Junctions peuvent conduire à de nouvelles conceptions de circuits informatiques :une alternative à l'utilisation de transistors à semi-conducteurs.

AVIS :

• Les supraconducteurs sont des matériaux qui n'ont absolument aucune résistance électrique.
• Tous les matériaux supraconducteurs actuellement connus doivent être refroidis bien en dessous de la température ambiante pour devenir supraconducteurs. La température maximale à laquelle ils le font est appelée la température de transition .

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Fiche de travail sur la tension, le courant et la résistance
• Fiche de travail sur la résistance spécifique des conducteurs