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RÉSUMÉ
Le matériau supraconducteur a la propriété, dans des conditions données de température et de densité de courant, de transporter du courant sans dissipation énergétique. Cet article s'intéresse au supraconducteur avec une structure multifilamentaire torsadée, qui stabilisé l'état supraconducteur et offre un fonctionnement sûr et satisfaisant. Il explique l'origine des pertes en courant alternatif, puis aborde la transition et la protection du fil supraconducteur dans un dispositif supraconducteur.
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Pascal TIXADOR : Directeur de recherche au CNRS - Laboratoire d’électrotechnique de Grenoble (LEG) - Centre de recherche sur les très basses températures (CRTBT)
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Yves BRUNET : Professeur à l’Institut national polytechnique de Grenoble (INPG) - Laboratoire d’électrotechnique de Grenoble (LEG) - Centre de recherche sur les très basses températures (CRTBT)
INTRODUCTION
Un supraconducteur est le matériau a priori idéal pour l’électrotechnicien puisqu’il transporte des densités de courant élevées sans être dissipatif du tout, du moins quand son environnement électromagnétique reste constant dans le temps. Cet état non dissipatif est cependant limité par trois grandeurs : la température critique (T c ), la densité de courant critique (J c ) et le champ d’irréversibilité (H*). Ces trois grandeurs forment une surface, dite critique, dans l’espace, température, densité de courant et champ magnétique. Elle peut être modifiée par les contraintes mécaniques pour certains supraconducteurs. La limite thermique est la plus contraignante pour l’utilisateur, du moins pour les supraconducteurs à basse température critique qui restent de très loin les matériaux les plus utilisés. Ainsi ce document traite essentiellement de la structure multifilamentaire des fils supraconducteurs « bas T c ». Les supraconducteurs à haute température critique sont cependant souvent évoqués. L’élévation de la température de fonctionnement et les conséquences sur les grandeurs caractéristiques sont analysées.
Dans ce document, le supraconducteur est considéré macroscopiquement avec un modèle simple mais représentatif : le modèle de l’état critique et sa version simplifiée, le modèle de Bean, la physique ayant été abordée dans l’article Supraconducteurs. Bases théoriques .
Après avoir présenté ce modèle, nous l’appliquerons à l’aimantation d’un supraconducteur, une de ses caractéristiques fondamentales. Nous expliquons par la suite comment la structure multifilamentaire torsadée stabilise l’état supraconducteur et permet un fonctionnement sûr et satisfaisant, compte-tenu des spécificités des supraconducteurs et des propriétés des matériaux aux basses températures. Les pertes en courant alternatif (ac) sont abordées avant de conclure par la transition et la protection du fil supraconducteur dans un dispositif supraconducteur.
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Stabilisation de l’état supraconducteur
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2. Aimantation d’un supraconducteur avec densité de courant critique
2.1 Courbe expérimentale
Des défauts microscopiques modifient profondément la courbe d’aimantation par rapport à la courbe réversible d’un échantillon supraconducteur sans défaut ( J c = 0 ; cf. figure 1). Ces défauts créent, pour les vortex, des centres d’ancrage, origine d’une densité de courant critique. La figure 3 illustre ce profond changement en montrant les courbes expérimentales d’aimantation d’un même échantillon supraconducteur pratiquement sans défaut (non irradié) et avec des défauts obtenus en irradiant le matériau. Pour l’échantillon sans défaut, la courbe d’aimantation est très proche de la courbe théorique idéale de la figure 1. Il existe cependant une légère hystérésis car il est impossible d’élaborer un matériau sans aucun défaut.
L’introduction de défauts dans le matériau modifie la courbe d’aimantation :
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au-delà de H c1, l’échantillon reste diamagnétique jusqu’à H c2 qui détruit la supraconductivité et annule donc l’aimantation. Le diamagnétisme au-delà de H c1 et jusqu’à H c2 est dû au développement de courants induits dans le matériau. Ces courants sont régis par la loi de Lenz classique. Ils s’opposent aux variations d’induction extérieure et n’écrantent donc pas systématiquement et parfaitement l’induction extérieure comme les courants supraconducteurs de London. La répartition spatiale des courants induits est donnée par le modèle de l’état critique, soit zéro, ou la densité de courant critique. Enfin ces courants induits ne s’amortissent pas puisqu’ils circulent sans développer de champ électrique (résistivité nulle) tant que le matériau est supraconducteur ;
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lorsque le champ extérieur diminue à partir de H c2 ,...
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Aimantation d’un supraconducteur avec densité de courant critique
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BEAN (C.P.) - Magnetization of high field superconductors - . Reviews of modern physics, p. 31-39, janv. 1964.
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(2) - STAVREV (S.), GRILLI (F.), DUTOIT (B.), NIBBIO (N.), VINOT (E.), KLUTSCH (I.), MEUNIER (G.), TIXADOR (P.), YANG (Y.), MARTINEZ (E.) - Comparison of Numerical Methods for Modelling of superconductors - . IEEE Transactions on Magnetics, p. 849-852 (2002).
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(3) - CLAUDET (G.), LACAZE (A.), ROUBEAU (P.), VERDIER (J.) - The design and operation of a refrigerator system using superfluid helium - . Proceeding of the fifth International Cryogenic Engineering Conference, p. 265-267 (1974).
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(4) - STEKLY (Z.J.J.), ZAR (J.L.) - Stable superconducting coils - . IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 12, p. 367-372 (1967).
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(5) - MADDOCK (B.J.), JAMES (G.B.), NORRIS (W.T.) - Superconducting composites : heat transfer and steady state stabilization. - Cryogenics, vol. 9, p. 261-273 (1969).
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