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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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Aimantation d’un supraconducteur avec densité de courant critique
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1. Étude électromagnétique des supraconducteurs, modèle de l’état critique
Pour expliquer et comprendre les comportements d’un fil supraconducteur, il est indispensable d’avoir un modèle électromagnétique macroscopique. Les équations de Maxwell étant vérifiées, il suffit d’avoir les relations entre l’induction ( B ) et le champ magnétique (H ) d’une part et le champ électrique ( E ) et la densité de courant (J ) d’autre part.
1.1 Relation B (H )
Le modèle recherché est un modèle macroscopique. Nous nous intéressons donc seulement à l’ induction moyenne à travers le matériau et non à l’induction locale, au niveau microscopique des vortex. Ainsi la relation entre l’induction moyenne B et le champ magnétique H est représentée sur la figure 1. Dans les conditions usuelles de fonctionnement, l’induction magnétique de travail ( µ 0 H de l’ordre de quelques Teslas) conduit à des champs magnétiques très supérieurs au premier champ critique H c1 (µ 0 H c1 < 0,1 T). Son aimantation est alors très faible et peut être négligée avec une bonne approximation. Le supraconducteur est donc considéré en pratique comme non magnétique macroscopiquement ; la relation B (H ) est par conséquent extrêmement simple :
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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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