Vendredi 6 septembre 2019 à 17:53

Sciences et techniques

 

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     Je lisais il y a peu de temps un article sur les matériaux supraconducteurs et des progrès spectaculaires qui viennent d’être faits et qui sont susceptibles de changer certains aspects de notre vie.
    Mais il faudrait peut être que je vous explique simplement ce que sont ces matériaux.

    Vous vous rappelez sans doute qu’on vous a appris au lycée qu’à une température de - 273,15 d°C, , appelé « zéro absolu », l’agitation thermique des molécules dans les gaz cessait totalement et la matière est dans son état minimal d’énergie, toutes ses éléments (atomes, molécules) étant dans leur état fondamental.
    On constate alors à l’approche de cette température, des propriétés particulières de certains matériaux : des fluides tels par exemple l’hélium perdent toute viscosité (c’est la « superfluidité ») et des métaux ou alliages perdent leur résistance électrique (c’est la « supraconductivité »)

    A l’intérieur d’un matériaux semi-conducteur, à l’approche du zéro absolu, tout champ magnétique est repoussé (en présence d’un champ magnétique externe, il n’ya plus de champ magnétique à l’intérieur du supraconducteur), et la résistance électrique devient nulle.

    On explique ce phénomène par des calculs de mécanique ondulatoires que je ne saurais vous expliquer, mais on peut le schématiser sous la forme suivante.
    Dans la structure cristalline du matériau métallique, les électrons circulent, mais étant chargés négativement, se repoussent mutuellement.
    Par contre le réseau cristallin est constitué d’ions positifs qui attirent l’électron. En fait l’attirance est mutuelle, mais les ions sont lourds et appartiennent à un réseau et donc la déformation due à cette attirance est faible. Les électrons qui vont passer engendrent des attirances successives et une vibration du réseau cristallin (voir la figure ci-dessous).
    Au dessous d’un seuil de température critique (très bas), deux électrons soumis à ces vibrations qui forment une zone électriquement positive, peuvent exceptionnellement s’attirer et former une paire stable : les paire d’électrons de Cooper qui va se comporter comme une particule unique spéciale. Cette particule est dotée de propriétés différentes d’un électron et son déplacement ne crée plus de champ magnétique et se déplace sans rencontrer la moindre résistance.
    Mais si la température s’élève l’apport d’énergie détruit les paires de Cooper et le phénomène de supra-conductivité cesse.

    L’intérêt d’un supraconducteur est qu’on peut le faire parcourir par des courants énormes (puisqu’il n’y a pas de résistance et d’effet Joule). L’inconvénient est qu’il faut maintenir les éléments en cause à une température proche du zéro absolu, ce qui est difficile et coûteux et ne peut concerner que des éléments de taille limitée.
    Actuellement l’application la plus fréquente est la réalisation d’électroaimants très puissants, utilisés principalement en imagerie (IRM) et dans des accélérateurs de particules. Des recherches sont faites dans le domaine de la fusion nucléaire (voir mes articles sur les tokamak et ITER ( 18 et 19/05/2019) et quant  à la sustentation magnétique de trains sur u n rail porteur.

     Des progrès spectaculaires viennent d’être faits en découvrant des supraconducteurs ne nécessitant que des températures plus faibles et l’on espère un jour, en trouver qui seraient supraconducteurs à température ambiante..
En 1993, des « cuprates » étaient supraconducteurs jusqu’à -131 d°C. C’étaient des produit complexes contenant du cuivre, de l’oxygène et divers autres éléments.
    Depuis 2015, divers hydrures métalliques ont été étudiés, notamment des hydrures de lithium qui pour être fabriqués nécessitent une pression énorme de 130 GPa (1300 atmosphères). Depuis des hydrures comprenant du soufre ou du lanthane ont été essayés; avec ce dernier élément la supra-conductivité disparaissait vers - 13 d°C, la température d’un congélateur domestique.
    Les applications seraient très importantes, notamment en matière de transport de l’électricité dans des câbles, sans effet joule, donc sans perte d’énergie et de stockage de l’énergie dans une bobine conductrice, reliée au réseau, dans laquelle les électrons stockés peuvent en quelque sorte, tourner en rond, avant d’être à nouveau rela^chés dans le réseau.électrique.
    Des applications en matière de lévitation des trains sur un rail ou de transport des énergies sur les caténaires serait également prometteuses.
   



Par jazz le Samedi 7 septembre 2019 à 11:07
un musical bonjour Jean-pierre
passant lire ton nouvel article et bon w end
A+ du troubadour Emmanuel
 

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