SUPRACONDUCTIVITé

-supraconductivité

LA SUPRACONDUCTIVITÉ est le phénomène où apparaît, dans un matériau, une extrême facilité de circulation du courant électrique (absence de résistance ou de résistivité électriques)

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

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 sont alors exponentiels 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 lc(zone énergétique où se tient une paire de Cooper) et la profondeur lpde 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(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°)

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) de FLUX 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 H2 du 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

-l'effet Josephson

Un courant arrive à passer à travers 2 couches de matériaux supraconducteurs 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, 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

-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 H 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 ( métaux comme Al,In,Nb,Sn...et alliages,céramiques) et si, dans leur PHASE de supraconductivité, on applique 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 T(K) très basse, la susceptibilité magnétique cm devient # -1(sr) et la magnétisation est

H = (χm.B ) = (χm.H1)  tendra 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, donc 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 >>> Test un peu plus élevée (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 rentrer loin dans le matériau et celà jusqu’à une valeur H2du champ induit. Au-delà de H2, la supraconductivité disparaît.

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

-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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