Exemple de matériaux supraconducteurs

Un matériau supraconducteur est un matériau qui manifeste la capacité de conduire l'énergie électrique sans présenter de résistance ou de pertes d'énergie dans certaines conditions. Cette qualité est appelée supraconductivité, et Il a été découvert en 1911 par Heike Kamerlingh Onnes.

Il a été conclu que, à mesure que la température diminue, la résistivité électrique d'un matériau conducteur métallique devient progressivement plus pauvre; Cependant, dans les conducteurs habituellement utilisés, tels que le Cuivre Cu et l'Argent Ag, les défauts tels que les impuretés génèrent une valeur plafond dans la substance. Dans le cas du cuivre, même proche du zéro absolu, une résistance non nulle est affichée.

La résistance d'un supraconducteur chute brusquement à zéro lorsque le matériau se refroidit en dessous de sa température critique. Un courant électrique circulant dans un fil supraconducteur peut persister indéfiniment sans source d'alimentation. Comme le ferromagnétisme et les raies spectrales atomiques, la supraconductivité est un phénomène de la mécanique quantique.

Caractère magnétique des supraconducteurs

Bien que la propriété la plus remarquable des supraconducteurs soit l'absence de résistance, on ne peut pas dire qu'il s'agit d'un matériau à conductivité infinie. En effet, un matériau supraconducteur de type I est parfaitement diamagnétique. Le diamagnétisme est la qualité d'un matériau qui lui permet de chasser les champs magnétiques. Contrairement au Paramagnétisme qui consiste à réagir à l'attraction de champs magnétiques. Cela signifie qu'il ne permet pas au champ de pénétrer, ce qui est connu sous le nom d'effet Meissner.

Les champs magnétiques différencient deux types de supraconducteurs: le type I, qui ne permet pas à un champ magnétique externe de pénétrer (ce qui entraîne un effort énergétique important, et implique la rupture brutale de l'état supraconducteur si la température critique est dépassée) et de type II, qui sont des supraconducteurs imparfaits, dans le sens où le champ pénètre efficacement à travers de petits canaux appelés vortex d'Abrikosov, ou fluxons. Ces deux types de supraconducteurs sont en fait deux phases différentes qui ont été prédites par Lev Davidovich Landau et Aleksey Alekséyecih Abrikosov.

Lorsqu'un faible champ magnétique externe est appliqué à un supraconducteur de type II, il le repousse parfaitement. Si elle est augmentée, le système devient instable et commence à introduire des tourbillons pour diminuer son énergie. Ces vortex sont de plus en plus nombreux, se plaçant dans des réseaux de vortex observables à l'aide de techniques appropriées. Lorsque le champ est suffisamment grand, le nombre de défauts est si élevé que le matériau n'est plus un supraconducteur. C'est le champ critique qui empêche un matériau d'être supraconducteur, et il dépend de la température.

Caractère électrique des supraconducteurs

L'émergence du superdiamagnétisme est due à la capacité du matériau à créer des supercourants. Les supercourants sont des courants d'électrons dans lesquels aucune énergie n'est dissipée, de sorte qu'ils peuvent être maintenus indéfiniment sans obéir à l'effet Joule de la perte d'énergie due à la génération de chaleur. Les courants créent le champ magnétique puissant nécessaire pour maintenir l'effet Meissner. Ces mêmes courants permettent de transmettre de l'énergie sans dépense énergétique, ce qui représente l'effet le plus remarquable de ce type de matériaux.

Comme le nombre d'électrons supraconducteurs est fini, la quantité de courant que le matériau peut transporter est limitée. Par conséquent, il existe un courant critique à partir duquel le matériau cesse d'être supraconducteur et commence à dissiper de l'énergie.

Dans les supraconducteurs de type II, l'apparition de fluxons fait que, même pour des courants plus faibles De manière critique, une dissipation d'énergie est détectée en raison de la collision des tourbillons avec les atomes du réseau.

Supraconducteurs à haute température

En raison des basses températures nécessaires pour atteindre la supraconductivité, les matériaux les plus courants sont Ils sont généralement refroidis à l'hélium liquide (l'azote liquide n'est utile que lors de la manipulation de supraconducteurs à grande vitesse Température). L'assemblage requis est complexe et coûteux, étant utilisé dans peu d'applications, telles que la construction d'électro-aimants puissants pour la résonance magnétique nucléaire (RMN).

Dans les années 80, ils ont été découverts supraconducteurs à haute température, qui présentent la transition de phase à des températures supérieures à la transition liquide-vapeur de l'azote liquide. Cela a réduit les coûts dans l'étude de tels matériaux, et a ouvert la porte à l'existence de matériaux supraconducteurs à température ambiante, ce qui signifierait une révolution dans l'industrie du monde contemporain.

L'inconvénient majeur des supraconducteurs à haute température est leur composition céramique, qui les rend inadaptés à la réalisation de câbles par déformation plastique. Cependant, de nouvelles techniques ont été développées pour la production de bandes telles que l'IBAD (Ion Beam Assisted Deposition). Grâce à cette technique, des câbles de longueurs supérieures à 1 kilomètre ont été réalisés.

Exemples d'applications des supraconducteurs

Un supraconducteur se comporte très différemment des conducteurs normaux. Ce n'est pas un conducteur dont la résistance est proche de zéro, mais la résistance est exactement égale à zéro. Cela ne peut pas être expliqué par les modèles conventionnels utilisés pour les conducteurs communs, tels que le modèle Drude.

Les aimants supraconducteurs font partie des électro-aimants les plus puissants connus. Ils sont utilisés dans les trains maglev (lévitation magnétique), dans les machines à résonance magnétique nucléaire (RMN) dans les hôpitaux et dans le ciblage du faisceau d'un accélérateur de particules. Ils peuvent également être utilisés pour la séparation magnétique, où des particules magnétiques faibles sont extraites d'un fond de particules moins ou non magnétiques, comme dans les industries des pigments.

Les supraconducteurs ont également été utilisés pour fabriquer des circuits numériques et des filtres radiofréquence et micro-ondes pour les stations de base de téléphonie mobile.

Les supraconducteurs sont utilisés pour construire des jonctions Josephson, qui sont les éléments constitutifs de Les SQUID (Superconducting Quantum Interference Devices), les magnétomètres les plus connus sensible.

Selon le mode de fonctionnement, une jonction Josephson peut être utilisée comme détecteur de photons ou comme mélangeur.. Le grand changement de résistance à la transition de l'état normal à l'état supraconducteur est utilisé pour construire des thermomètres dans des détecteurs de photons cryogéniques.

Les applications innovantes et tournées vers l'avenir incluent les transformateurs haute performance, stockage d'énergie, transmission d'énergie électrique, moteurs électriques et dispositifs de lévitation magnétique.

Cependant, la supraconductivité est sensible aux champs magnétiques en mouvement, de sorte que les applications qui utiliser du courant alternatif, comme les transformateurs, sera plus difficile à fabriquer que ceux qui sont alimentés en courant continuer.

Exemples de matériaux supraconducteurs

Il peut s'agir de métaux tels que :

1. Plomb
2. Étain
3. Zirconium
4. Mercure
5. Tungstène
6. Zinc
7. Iridium
8. Vanadium
9. Titane
10. Lithium
11. Baryum
12. Béryllium
13. Cadmium
14. Chrome.

Ils peuvent être des non-métaux ou des métalloïdes, tels que :

1. Bore
2. Calcium
3. Carbone
4. Silicium
5. Correspondre
6. Oxygène
7. Soufre
8. Sélénium
9. Arsenic
10. Brome
11. Indien
12. Thallium
13. Bismuth