Supraconducteurs conduisent l’électricité sans résistance à des températures extrêmement basses, permettant une transmission d’énergie efficace et sans perte.
Comment les supraconducteurs conduisent-ils l’électricité ?
Les supraconducteurs sont des matériaux fascinants qui présentent une propriété unique : ils peuvent conduire l’électricité sans aucune résistance lorsqu’ils sont refroidis en dessous d’une certaine température critique. Cette caractéristique incroyable a des applications potentielles majeures dans divers domaines, de la physique à l’ingénierie électrique et même à la médecine.
Le phénomène de la supraconductivité
La supraconductivité a été découverte en 1911 par le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes. Lorsqu’un matériau devient supraconducteur, il entre dans un état de supraconductivité où il peut conduire l’électricité avec une résistance zéro. Cela signifie qu’un courant électrique peut circuler indéfiniment sans perte d’énergie, ce qui contraste fortement avec les conducteurs normaux qui dissipent de l’énergie sous forme de chaleur en raison de leur résistance.
Les conditions de la supraconductivité
Pour qu’un matériau devienne supraconducteur, il doit être refroidi en-dessous d’une température critique spécifique au matériau. Par exemple, pour l’aluminium, cette température est d’environ 1,2 Kelvin (-271,95°C). La température critique varie d’un matériau à l’autre.
- Matériaux conventionnels : De nombreux métaux purs, comme le mercure et le plomb.
- Matériaux à haute température : Certains céramiques qui deviennent supraconducteurs à des températures plus élevées, telles que 138 Kelvin (-135°C).
Le rôle des paires de Cooper
L’un des concepts clés pour comprendre la supraconductivité est celui des paires de Cooper. À très basse température, les électrons dans un supraconducteur forment des paires appelées paires de Cooper. Ces paires se déplacent dans le matériau sans rencontrer de résistance. Ce comportement est différent des électrons libres dans un conducteur normal, qui subissent des collisions avec les atomes du matériau, générant ainsi de la résistance.
En termes simples, les paires de Cooper se forment parce que, à très basse température, les interactions attractives entre deux électrons peuvent l’emporter sur leurs répulsions naturelles dues à leurs charges négatives. Ces paires bougent de manière coordonnée à travers le matériau, ce qui leur permet de se déplacer sans dissipation d’énergie.
Équations de la supraconductivité
La description mathématique de la supraconductivité est donnée par la théorie BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer). L’énergie de cohésion d’une paire de Cooper est généralement donnée par :
Ecoop = 2Δ
où Δ représente le gap énergétique, qui dépend de la température et du matériau spécifique. Quand la température descend en dessous de la température critique (Tc), le gap énergétique Δ devient non nul, ce qui permet la formation des paires de Cooper.
Applications des supraconducteurs
Les supraconducteurs ont de nombreuses applications potentielles grâce à leur capacité à conduire l’électricité sans perte d’énergie :
- IRM (Imagerie par résonance magnétique) : Utilise des aimants supraconducteurs pour créer des champs magnétiques puissants.
- Trains à sustentation magnétique (Maglev) : Utilisent des supraconducteurs pour léviter et propulser les trains à haute vitesse avec une efficacité énergétique accrue.
- Lignes de transmission d’énergie : Permettraient de transporter de grandes quantités d’électricité sur de longues distances sans perte.
Conclusion
Les supraconducteurs représentent une avancée majeure dans notre compréhension et notre utilisation de l’électricité. Bien que le maintien de températures extrêmement basses pour les matériaux supraconducteurs soit un défi technologique, les oppportunités qu’ils offrent sont vastes et révolutionnaires. Des recherches continues sont menées pour découvrir de nouveaux matériaux supraconducteurs à haute température retenant la promesse d’une adoption plus large dans la technologie actuelle et future.
