Le Repaire des Sciences
Sciences Physiques et Chimiques

 

 

 

    

Pas d'effet Joule dans les supraconducteurs ?

 

 

Vous nous dites que l'effet Joule est inévitable dans les circuits électriques qui nous entourent... mais dans les supraconducteurs, il n'existe pas, c'est ça ?

Très bonne application, même si l'on sort pas mal du cadre du cours des lycées. Il faut savoir qu'il existe certains matériaux (pour les plus simples, Be, Ti, Al, V, Ga, Sn, Pb) qui ont la propriété de conduire le courant sans aucune résistance s'ils sont maintenus en dessous d'une température (assez basse) appelée température critique. Dans ce cas, ces matériaux n'offrant plus de résistance au passage du courant, puisque R = 0, l'effet joule est lui-même inexistant. Le seul écueil concernant leur utilisation courante est la température très basse qu'il faut assurer ; c'est pourquoi on cherche aujourd'hui des matériaux (alliages) dont le température critique est la plus élevée possible.

Pour une mine d'informations, consulter le site suivant : ici.

Pour information : le transport du courant

Le transport du courant entre les centrales électriques et les habitations ou industries passe aujourd’hui uniquement par des câbles en cuivre ou en aluminium. L’inconvénient de ces deux métaux est d’avoir une résistance, qui, bien qu’elle soit faible en comparaison de celle d’autres matériaux, entraîne une très grosse perte d’énergie pendant le transport, essentiellement sous forme de chaleur. De plus, le cuivre étant très lourd, on le remplace petit à petit par de l'aluminium, plus léger mais plus résistif, ce qui augmente les pertes de courant et oblige à faire passer des tensions plus importantes.
L’application des supraconducteurs dans le transport d’énergie est alors ici parfaitement justifiée. En effet, du fait de leur résistivité nulle, les supraconducteurs évite la perte de courant par effet Joule (dissipation thermique). Ils permettent en outre de faire passer beaucoup plus de courant qu’une ligne classique, et ce dans un câble de section inférieure à celle des câbles conventionnels.
Ainsi, 8400 Kg de câble de cuivre pourraient être remplacés par seulement 110 Kg de câble supraconducteur, ce qui faciliterait grandement les travaux d’enfouissement des lignes téléphoniques lors de la complétion d’installations existantes ou de l’établissement de nouvelles lignes.

Première mondiale : Sumitomo Electric Industries Ltd. est le premier à lancer sur le marché un câble supraconducteur à haute température, refroidi par du nitrogène liquide, capable de transmettre 130 fois plus d'électricité qu'une ligne conventionnelle. La commercialisation est prévue très prochainement et à un prix raisonnable (« seulement » 2 à 5 fois plus cher que le cuivre).

Encore plus fort : la conservation de l'énergie électrique

Il est actuellement impossible de stocker de l’électricité pour une longue durée, car celle-ci doit être consommée très rapidement pour ne pas disparaître, c'est-à-dire dans la seconde qui suit sa production. Il pourrait être avantageux de conserver cette électricité afin de l’utiliser postérieurement, par exemple lors d’excès de productions qui sont irrémédiablement perdus.
Le système de conservation, très simple, consiste en un anneau supraconducteur refroidi par de l’hélium liquide, et dans lequel on injecte le courant. On ferme ensuite le circuit et le courant se retrouve ainsi en circulation indéfiniment du fait qu’il n’y a aucune perte sous forme de chaleur. Revenez un an après la manipulation et vous constaterez que l’intensité du courant n’a pas bougé. Il faudra au pire revenir plus tôt et régulièrement afin de maintenir le niveau d’hélium liquide nécessaire au bon refroidissement du circuit.

 

Une autre application : dans le domaine médical, l'IRM

Un des premiers domaines où furent appliqués les supraconducteurs est la médecine avec l’IRM (Imagerie par Résonance Magnétique).
Les années 1990 sont celles de l'IRM, devenu l'enjeu commercial majeur de la décennie. Cette technique très souple se développe surtout aux dépens de la tomodensitométrie X. Elle fournit des images analogues à celles de la tomodensitométrie, sans utiliser de rayonnement ionisant, donc sans risque connu pour le patient et l'opérateur. De plus, l'IRM devrait remplacer certains actes, réalisés aujourd’hui grâce à la radiologie conventionnelle, le scanner, l'angiographie ou l'échographie.
L'imagerie médicale est une réalité quotidienne, révolutionnaire par sa technique ultra perfectionnée et en perpétuelle mutation; elle entraîne une véritable métamorphose du corps médical, la technique se mêlant à la connaissance classique. Elle offre des possibilités qui étaient encore imperceptibles au début des années 1980.

L’IRM repose sur le principe que les atomes d'hydrogène du corps réémettent l’énergie accumulée par l’induction d’un fort champ magnétique à une fréquence vibratoire pouvant être détectée

Sans la supraconductivité, cette nouvelle technologie n'aurait jamais pu voir le jour. En effet, l'IRM repose intégralement sur la puissance de l'électroaimant qui est la base même de l'appareil. Pour en prendre conscience il faut savoir qu'il faudrait des centaines de kilowatts pour qu'un aimant conventionnel atteigne le champ magnétique requis. Par conséquent, l'utilisation d'un aimant supraconducteur est très intéressante.

 

Les supraconducteurs apparaissent en deux points : tout d’abord dans l‘électroaimant qui induit le fort champ magnétique nécessaire à l’accumulation d’énergie par les atomes, ensuite dans le détecteur d’ondes électromagnétiques, qui fournit l’image magnétique du cerveau. La taille des aimants nécessaire est fortement réduite du fait de l’utilisation de supraconducteurs, et l’alimentation électrique ne se fait qu’au moment de l’établissement du courant dans l’électroaimant (champ magnétique auto-induit).
Néanmoins, l'IRM coûte très cher pour son installation, mais aussi lors de son utilisation notamment en raison de l'obligation de maintenir l'aimant supraconducteur à une température très basse (-193 °C soit 80 K, dans de l'azote liquide), permettant ainsi la visualisation des organes.


Et plus loin encore : des ordinateurs encore plus rapides

La jonction Josephson est basée sur deux propriétés physiques majeures : l’effet tunnel et la longueur de cohérence x des paires de Cooper. Petit rappel concernant l’effet tunnel : lorsque deux couches supraconductrices sont séparées par une mince couche isolante et que celle-ci a une épaisseur inférieure à  x , alors les électrons peuvent traverser cette barrière de potentiel par effet tunnel et on observe alors  l’apparition d’un courant.
En soumettant une jonction Josephson à un courant continu, il apparaît un courant alternatif de très haute fréquence (483 MHz pour une tension de 1 µV).
Cette propriété permet de fabriquer des transistors, utilisés de façon omniprésente en informatique, qui ont une vitesse de fonctionnement presque 500 fois supérieure à celle des transistors normaux.

La NASA travaille actuellement, avec l’aide de diverses universités, sur un projet d’ordinateur « Petaflop  », alors que le plus puissant des ordinateurs , le simulateur NEC Earth (Japon) calcule à la vitesse de 35,6 teraflops par seconde. Il faut savoir qu’un « flop » correspond à un calcul en « virgule flottante » (calcul décimal) par seconde. Un Petaflop sous-entend donc une vitesse de calcul de un million de milliards d’opérations en virgule flottante à la seconde.
Des jonctions Josephson associées à des supraconducteurs seront nécessaires à l’obtention de telles performances. Les chercheurs ont établi que cela nécessiterait 100 milliards de jonctions Josephson sur 4000 microprocesseurs afin d'atteindre des vitesses de 32 petaflops.