Les supraconducteurs sont des matériaux spéciaux qui, lorsqu’ils sont refroidis à la température critique, réduisent fortement leur résistance électrique jusqu’ à zéro, devenant justement supraconducteurs. Les matériaux supraconducteurs qui atteignent la température critique deviennent des voies préférentielles pour transporter de l’électricité.
La température critique est indiquée, habituellement, par le symbole Tc et elle est, à bien des égards, un élément distinctif du matériau de la même façon que la signature spectrale dans l’émission infrarouge IR.
Le phénomène de la supraconductivité a été découvert en 1911 grâce au physicien Kamerlingh Onnes, qui l’a remarqué dans le mercure. Les matériaux les plus utilisés pour la supraconduction sont le titane, le niobium, l’étain et le vanadium.
Dans les matériaux ci-dessus, la supraconduction a lieu à des températures très basses, mais sans jamais atteindre le zéro absolu qui, comme on le sait, annihile la matière.
Lorsque le courant électrique passe à travers une bobine de supraconducteur, il circule pratiquement à l’infini en brisant totalement l’effet Joule.
Un supraconducteur peut donc transporter d’énormes quantités de courant électrique sans dissiper de l’énergie sous forme de chaleur. Par conséquent, l’électricité peut circuler pendant de longues périodes sans dispersion.
Ce phénomène est étroitement lié à la théorie quantique du déplacement de paires d’électrons, communément appelées: les paires de Cooper ou les paires électron-électron. En fait, si le supraconducteur a été découvert en 1911 par Onnes dans le mercure, il n’a été théorisé qu’en 1957 par J. Bardeen, L.N. Cooper et J.R. Schrieffer. Cependant, tel que nous le connaissons aujourd’hui, il apparaît en 1988, grâce aux recherches et expériences menées par J.G. Bednorz et K.A. Muller.
Dans la pratique, les deux chercheurs, dans les laboratoires d’IBM à Zurich, ont corrélé le phénomène de supraconductivité à la température critique. Les deux chercheurs ont, dans une première phase expérimentale, révélé la supraconductivité à une température de 35°K, sur une céramique avec une formulation de: lanthane, baryum et cuivre. En 1987, on est parvenu aux mêmes résultats expérimentaux utilisant une céramique composée d’yttrium à une température de 90°K. A l’heure actuelle, la température critique inférieure a été atteinte avec des applications expérimentales sur le mercure et elle est de 133°K.
Une autre caractéristique particulière du supraconducteur concerne le comportement magnétique. En fait, quand les supraconducteurs sont refroidis à la température critique, ils deviennent parfaitement diamagnétiques. Ce phénomène est défini comme effet Meissner et il trouve une large application dans la production de trains rapides sur coussins magnétiques.
Classification des supraconducteurs.
Les nombreuses recherches sur la supraconductivité ont permis de classer les supraconducteurs en deux catégories: de type I et de type II. Tous les matériaux qui entrent dans la catégorie I pâtissent d’une limitation importante. En effet, ces matériaux conservent la capacité de supraconduction à basse température et à faible champ électromagnétique. Lorsque le champ électromagnétique atteint une intensité haute, définie critique, il dégrade l’état de supraconductivité du matériau lui-même. Les matériaux du deuxième type (II) ont un rendement beaucoup plus élevé et sont, pour cette raison, le plus utilisés et recherchés. En pratique, ces matériaux, même s’ils sont soumis à un champ magnétique, restent liés à l’état de supraconduction. Cette caractéristique permet aux supraconducteurs, de type II de résister à des champs magnétiques très forts et, par conséquent, de supporter une charge de courant très élevée.
Paramètres de classification des supraconducteurs.
Les deux principales caractéristiques qui permettent de faire fonctionner la dichotomie des supraconducteurs sont: la longueur de cohérence et la profondeur de pénétration.
– La longueur de cohérence, reliée à la paire de Cooper, c’est la distance spatiale entre une paire d’électrons, et elle représente la taille ou l’étendue, de la paire. Cette longueur, dans les supraconducteurs traditionnels ou classiques, est de l’ordre de nanomètres.
– La longueur de pénétration concerne l’effet Meissner. Autrement dit, la décroissance des champs magnétiques externes, par effet des champs magnétiques induits par le courant qui parcourt le supraconducteur. La distance à laquelle se produit cette décroissance est définie comme longueur de pénétration. Cette mesure aussi, tout comme celle de la cohérence, est de l’ordre de nanomètres.
Les particularités des supraconducteurs
Les supraconducteurs de type I sont définis à faible point de fusion et physiquement tendres. Leur Longueur de cohérence est toujours supérieure à la Longueur de pénétration et, pour cette raison, ils ont tendance à être supraconducteurs dans des conditions de basse température et avec la présence d’un champ magnétique faible. Étant donné que la supraconduction de ces matériaux est limitée, ils présentent un faible intérêt du point de vue technologique et ne sont pas très demandés.
Les supraconducteurs de type II sont en forte demande en raison de leurs performances supérieures du point de vue technologique. La longueur de pénétration de ces matériaux est inférieure à la longueur de cohérence et par conséquent ils demeurent dans l’état de supraconduction même après la pénétration du champ magnétique. Les supraconducteurs de type II peuvent résister à des champs très forts et donc transporter du courant plus intense. Tous les supraconducteurs à intérêt technologique sont de ce type.
Les applications pratiques
Comme on le sait, des matériaux supraconducteurs à température ambiante n’ont pas encore été découverts. Le coût élevé des dispositifs de refroidissement cryogénique ne permet pas une utilisation à grande échelle de ces dispositifs. En plus des coûts, l’aspect pratique du dispositif de refroidissement comporte des limitations considérables. Ces limites objectives impliquent l’utilisation des supraconducteurs seulement dans certains champs d’application, tels que composants de satellite, champ biomédical, l’ingénierie automobile et informatique appliquées à la recherche.