Électro-aimants supraconducteurs | Propriétés et applications

Les électroaimants supraconducteurs

Les électroaimants supraconducteurs représentent une avancée majeure dans la technologie des champs magnétiques. À la différence des électroaimants traditionnels qui utilisent des bobines en cuivre ou en aluminium, les électroaimants supraconducteurs emploient des matériaux spéciaux sans résistance électrique à de très basses températures, permettant ainsi des champs magnétiques extrêmement puissants sans perte d’énergie.

Composants clés

Les composants essentiels d’un électroaimant supraconducteur incluent :

• Fil supraconducteur : Fabriqué à partir de matériaux comme les alliages de niobium-titane (NbTi) ou de niobium-étain (Nb₃Sn), ces fils deviennent supraconducteurs sous une température critique.
• Système de refroidissement cryogénique : Nécessaire pour maintenir les matériaux supraconducteurs sous leur température critique, utilisant généralement de l’hélium liquide ou de l’azote liquide.
• Bobine : Le fil supraconducteur est enroulé en bobine pour concentrer et augmenter la force du champ magnétique.
• Alimentation électrique : Fournit la tension nécessaire pour générer le champ magnétique à travers la bobine supraconductrice.
• Systèmes de contrôle et de protection : Essentiels pour la stabilité du champ magnétique et la sécurité de fonctionnement, ces systèmes surveillent la température, le courant et la force du champ magnétique.

Applications variées

Les applications des électroaimants supraconducteurs sont diverses en raison de leur capacité à générer des champs magnétiques puissants et stables. Parmi les utilisations courantes, on trouve :

• Imagerie par résonance magnétique (IRM) : Composant clé des machines IRM, ils fournissent des champs magnétiques forts et uniformes nécessaires pour l’imagerie médicale de haute résolution.
• Accélérateurs de particules : Utilisés dans des installations comme le Grand collisionneur de hadrons (LHC) pour produire les champs magnétiques intenses nécessaires à la manipulation des particules à haute énergie.
• Trains à lévitation magnétique (Maglev) : Certains systèmes de trains Maglev emploient ces électroaimants pour générer les champs magnétiques puissants
  permettant aux trains de léviter et de se déplacer avec une friction minimale.
• Recherche en fusion : Dans les réacteurs expérimentaux de fusion nucléaire comme les tokamaks et les stellarators, ces électroaimants créent les champs magnétiques nécessaires pour confiner et contrôler le plasma à haute température.
• Aimants de recherche : Utilisés dans diverses applications de recherche nécessitant des champs magnétiques extrêmement forts et stables, comme la spectroscopie RMN, la science des matériaux et les expériences de physique des hautes énergies.

Superconductivité : un phénomène unique

La superconductivité diffère radicalement de la conductivité normale. Même les meilleurs conducteurs normaux, tels que l’argent et le cuivre, ne deviennent pas supraconducteurs à aucune température. Les nouveaux supraconducteurs céramiques sont en fait de bons isolants lorsqu’ils ne sont pas à une température suffisamment basse pour être dans un état supraconducteur. Le lien entre la superconductivité et les basses températures est fondamental. Pour qu’un matériau devienne supraconducteur, il doit être refroidi en dessous d’une température critique, appelée température de transition supraconductrice ou température critique (T_c). Cette température de transition varie selon les matériaux supraconducteurs et peut aller de quelques Kelvin (K) à plusieurs centaines de K.

Types d’électroaimants

Il existe plusieurs types d’électroaimants, chacun conçu pour des applications et des conditions de fonctionnement spécifiques :

• Solénoïde : Une bobine cylindrique de fil isolé générant un champ magnétique lorsqu’un courant électrique est appliqué.
• Électroaimant toroïdal : Une bobine enroulée autour d’un noyau ferromagnétique en forme d’anneau, minimisant les fuites magnétiques.
• Électroaimant en forme de U ou fer à cheval : La bobine est enroulée autour d’un noyau ferromagnétique en forme de U, concentrant le champ magnétique aux extrémités.
• Électroaimant en forme de C : Utilisé dans les relais et les interrupteurs, où un noyau en forme de C est fermé par un armature mobile.
• Bobines de Helmholt
  z : Deux bobines identiques, parallèles et coaxiales, séparées par une distance égale à leur rayon, utilisées pour générer un champ magnétique uniforme dans la région entre les bobines.
• Mandrins électromagnétiques : Conçus pour maintenir des pièces de travail ferromagnétiques pendant l’usinage ou d’autres processus de fabrication.

Fonctionnement d’un électroaimant

Un électroaimant fonctionne en générant un champ magnétique lorsqu’un courant électrique circule dans un fil conducteur, généralement enroulé en bobine. Ce phénomène repose sur le principe de l’électromagnétisme, comme décrit par la loi d’Ampère et la loi de Biot-Savart. Voici une explication étape par étape :

• Courant électrique : L’application d’une tension aux extrémités d’un fil conducteur provoque le flux d’électrons, créant un courant électrique.
• Génération du champ magnétique : Selon les lois de Biot-Savart et d’Ampère, un champ magnétique est généré autour du fil à cause du courant électrique. Les lignes de champ magnétique forment des boucles circulaires autour du fil.
• Formation de la bobine : Pour concentrer et renforcer le champ magnétique, le fil est généralement enroulé en solénoïde.
• Noyau ferromagnétique : Pour augmenter davantage la force du champ magnétique, un matériau ferromagnétique, tel que le fer, est souvent placé à l’intérieur de la bobine.
• Contrôle du champ magnétique : La force de l’électroaimant peut être contrôlée en ajustant le courant électrique qui circule dans le fil.

Cette capacité à contrôler les champs magnétiques rend les électroaimants extrêmement utiles dans diverses applications.