SUPRACONDUCTIVITé

-supraconductivité

La conductivité est une facilité de faire circuler les charges dans un matériau (avec peu de dépense d'énergie) Lasupraconductivité est une extrême facilité de circulation du courant électrique, sous forme d'absence de résistance ou de résistivité du matériau

Cela se produit seulement au-dessous d’une température de transition Tt (dite éventuellement "critique") variable avec la matière.

Au-dessus de Tt  il y a comportement normal: la résistivité est fonction de la température selon une loi du genre ρ = ρ0(1 + αT)

A la température Tt, il y a brusquement chute à 0 de la résistivité ρ, le corps devient diamagnétique (susceptibilité magnétique négative et tendant vers -1)

La capacité thermique et l’amortissement des ultrasons varient aussi exponentiellement envers T

 

Explication par la conduction

A l’échelon infra-atomique, la conduction est produite par une paire d’électrons, dite "paire de Cooper", formant une semi-particule (boson) et on définit alors la longueur de cohérence l(zone énergétique où se tient une paire de Cooper) ainsi que la profondeur lde pénétration du champ magnétique d’induction  B

>>> Si lp / lc est < 0,7 : c’est un supraconducteur de type I

>>> Si lp / lc est > 0,7 : c’est un supraconducteur de type II

On suppose qu’au moment de la supraconduction d’un corps, la résistivité devient nulle parce que les électrons sont en résonance avec les vibrations des atomes métalliques du corps et que tout frottement se trouve alors éliminé dans leurs déplacements.

Mais l’équation de cette coexistence est inconnue.

 

Valeurs pratiques de température de transition T1(en °K)

--pour la plupart des métaux usuels (< 2°)

--pour Hg, In, Sn, Ta, V(= 2 à 5°)

--pour La, Nb, Pb(= 8 à 10°)

--pour alliages, oxydes, sels(= 10 à 12°)

--pour certains cuprates(= 120 à 137°)

 

FLUXON

Si, dans la PHASE de supraconductivité d'un matériau, on applique un champ magnétique d’induction    B, tout reste stable jusqu’à une valeur du champ induit H1, dite critique, puis apparaissent des zones de turbulences dites Fluxons impliquant chacune un seul quantum (Φ0) duFLUX d’induction magnétique.

Les fluxons se répartissent en réseau et interdisent alors au FLUX Φ  de rentrer loin dans le matériau -et cela jusqu’à une valeur Hdu champ induit-.

Au-delà de H2 , la supraconductivité disparaît.

Valeurs pratiques de champ critique H1(en A/m)

Th, W(~ 10²)--Al, Cd, Hf, Ir, Mo, Zr(= 103 à 4 )--Gd, In, Pb, Sn, Ti(= 104 à 5)--

Nb, Re, V(> 105)

 

MATERIAUX SUPRACONDUCTEURS

Certains supraconducteurs ont une structure feuilletée en couches

-Effet Josephson

Un courant arrive à passer à travers 2 couches de matériaux supracon-ducteurs séparés par une couche très mince d’isolant: il y a effet tunnel de paires d’électrons d’un matériau à l’autre

Ce courant est fonction de B, le champ d’induction magnétique

Un effet Josephson alternatif de très haute fréquence est également possible dans un isolant, quand une tension (continue) est appliquée au supraconducteur

-Les matériaux supraconducteurs de type I

Il s’agit de: métaux (Al, In, Nb, Sn....), alliages, céramiques

Tt est comprise entre 1 et quelques degrés K

Si, dans la PHASE de supraconductivité, on applique un champ magnétique d’induction B, le champ induit  reste identique jusqu’à une valeur H1, dite critique, à partir de laquelle la supraconductivité cesse brusquement

 

EFFET MEISSNER

Pour des matériaux supraconducteurs de type I (alliages,céramiques et métaux comme Al,In,Nb,Sn...) qui, dans leur PHASE de supraconductivité, subissent un champ magnétique d’induction B, le champ induit H reste identique jusqu’à une valeur H1, dite critique, à partir de laquelle la supraconductivité cesse brusquement

--si B(T) est faible et la température T1(K) très basse, la susceptibilité magnétique cm devient ~ -1(sr) et la magnétisation  H’ = (Wm.B) = (Wm.μ.H1)  tend vers 0

Et alors un corps peut léviter, si son poids (sous la pesanteur) est égalé par la force exercée par le champ d’induction magnétique, c'est à dire si :

m.g = Mg.dB / dl     m(kg)= masse du corps

g(m/s²)= gravité terrestre (= 9,80665 m/s²)

Mg(A-m²)= moment magnétique ampèrien

B(T)= champ d’induction magnétique

l(m)= hauteur de lévitation

 

-matériaux supraconducteurs de type II 

La température Tt est un peu plus élevée que ci-dessus (2 à 18° K)

Exemples : alliages de plomb-indium ou niobium-zirconium

Si, dans la PHASE de supraconductivité, on applique un champ magnétique d’induction B, tout reste stable jusqu’à une valeur du champ induit H1, dite critique, puis apparaissent des zones de turbulences dites Fluxons impliquant chacune un seul quantum (Φ0) de FLUX d’induction magnétique.Les fluxons se répartissent en réseau et interdisent désormais au FLUX  Φ de pénétrer profond dans le matériau et celà jusqu’à une valeur Hdu champ induit.

Au-delà de H2, la supraconductivité disparaît.

RappelΦ= h / 2e    où Φ0(Wb) est le quantum de FLUX  h(J-s) = constante de Planck et e(C) est la charge élémentaire d'où  Φ= 2,068.10-15 Wb

 

-matériaux supraconducteurs de type mixte (SHTc)

On les dénomme matériaux "supraconducteurs à haute température".

La perturbation du magnétisme provient de la formation spontanée de boucles infinitésimales de courant.

Ces matériaux sont des céramiques et des matériaux feuilletés formés de diverses couches [des isolants comme (Ba, Sr....), certains cuprates et des métaux comme (Ca, Cu, Y, Th...)]

La température de transition est élevée (de 80 à 150° K) et leur supraconductivité est anisotrope

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