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Magnétisme et supraconducteurs
En présence d’un champ magnétique externe, les matériaux naturels - par exemple l’eau - engendrent, pour la plupart, un champ qui s’oppose au champ externe : ils sont dits “diamagnétiques”. A température ambiante, cet effet est très faible et n’est souvent perceptible que dans un fort champ externe.
Mais certains matériaux deviennent parfaitement diamagnétiques au dessous d’une température critique Tc (généralement très basse) et sont ainsi capables de chasser le champ ambiant : ce sont les supraconducteurs.
De nombreux matériaux sont supraconducteurs, par exemple l’étain et l’aluminium; leur température critique est souvent inférieure à -250°C. Depuis 20 ans, de nouveaux supraconducteurs à haute température (Tc >-180°C), de type céramique, ont été fabriqués; mais aucun supraconducteur à température ambiante n’a encore pu être obtenu.
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Dans un métal conducteur, un courant électrique s’explique par le
déplacement d’électrons libres; une bonne conduction se traduit par une résistance électrique faible et une
dissipation réduite des courants.
Dans un supraconducteur, le courant est porté par des paires d’électrons appariés qui peuvent se mouvoir sans
aucune résistance ni dissipation. En présence d’un champ magnétique,
les paires d’électrons engendrent des courants de surface permanents, qui à leur tour créent au coeur du matériau
un champ magnétique qui annule le champ externe : c’est l’effet
Meissner, découvert en 1933.
supraconductivité et effet Meissner
vue au microscope d’un supraconducteur à haute température
de type céramique au mercure
Des aimants à base de supraconducteurs sont aujourd’hui utilisés pour produire des champs magnétiques continus très intenses. Ils sont indispensables à d’importants projets de recherche en physique des particules (par exemple le LHC) ou aux expériences de fusion nucléaire magnétiquement contrôlée (comme le tokamak Tore Supra). Ils sont aussi très utilisés pour des applications médicales (l’imagerie par résonance magnétique IRM) et industrielles (les trains à lévitation magnétiqueTransrapid et MagLev).
L’utilisation des matériaux supraconducteurs est promise à un grand avenir - notamment pour améliorer les performances de stockage et de transport de l’énergie.
Tore Supra : le premier tokamak supraconducteur pour l’étude de la fusion nucléaire contrôlée (© CEA)