• Lévitation et supraconductivité

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    Lévitation et Supraconductivité

    Lévitation et supraconductivité

    Des semelles sans contact sur lesquelles les pieds (et le corps) léviteraient. © ENSCI-Supradesign

       La lévitation mystique et physique

         par Muguette Beaurivage

        La lévitation est à ranger avec les autres phénomènes anormaux inexpliqués par la science : incombustibilité, élongation corporelle. psychokinésie, etc… Elle n' en est pas moins à prendre au sérieux.

    La lévitation est la capacité de s'élever au-dessus du sol. Elle semble avoir été surtout constatée chez les mystiques, chez les saints ; elle est peut-être provoquée par un puissant désir de rejoindre Dieu lorsqu'ils sont en prière, en extase, ( hors d'eux-mêmes ).  Mais ils y a des cas où la lévitation se produit en dehors de tout contexte mystique ou religieux ce qui laisse supposer qu'il s'agit d'un phénomène purement physique.

    Ce phénomène, aux origines très anciennes, est mentionné autant par l' Ancien que le Nouveau Testament et par de nombreux récits « hagiographiques » (hagiographie:science qui traite des choses saintes, écriture sur la vie des saints).  Comme de nombreux phénomènes inexpliqués, la lévitation ne semble avoir aucune utilité.

    La lévitation semble liée à un état particulier acquis après de longues séances d'entraînements, ou même d'un état ou comportement tellement fort de colère ou de haine que cela peut déclencher une lévitation spontanée.

    Le corps, poussé par une force mystérieuse, peut alors défier les lois ordinaires de la pesanteur.

    Peut-être existe-t-il une loi physique de la lévitation, une sorte de « Sésame, ouvre-toi ! ». L' hypothèse de cette loi expliquerait certains cas de lévitations spontanées demeurés fort troublant.

    La possibilité d'échapper aux lois ordinaires de la gravitation nous conduit à nous poser de nouvelles questions sur la nature de nos pouvoirs physiques et psychiques.

    Et je crois que ceux-ci resteront encore longtemps mystérieux…

    La lévitation magnétique.

    À proprement parler, la lévitation est une élévation sans appui, ni intervention matériel ou physique d'une personne au-dessus du sol, comme je l'explique ci-haut.

    Mais ici je vous donne la définition de la lévitation magnétique, soit une définition scientifique du phénomène  plus compréhensible.

    En physique, la lévitation est une technique permettant de soustraire un objet à l'action de la pesanteur par l'intermédiaire de différents procédés électrostatiques et électrodynamiques ou encore grâce à un faisceau laser, mais également magnétique.

    Lévitation magnétique

    À l'occasion des 100 ans de la supraconductivité 

    Soumis à un refroidissement proche de -250 °C, les matériaux supraconducteurs acquièrent des propriétés magnétiques. Explications avec Julien Bobroff, chercheur au département de physique des solides de l'université Paris XI.

    La lévitation magnétique est donc réalisable de différentes manières.

    Nous connaissons en tout trois (3) procédés qui nous permettent d'étudier le phénomène.

    1.   Utilisation d'aimants permanents.

    2.   Utilisation d'électroaimants.

    3. La supraconductivité.

    Les aimants permanents et les électroaimants sont certainement les outils les plus simples à utiliser pour étudier le phénomène de lévitation magnétique.

    Nous avons tous ou presque, joué avec des aimants. L'aimant possède deux pôles, nord et sud, et crée autour de lui un champ magnétique.  Tout aimant cherche toujours à s'orienter dans le sens de ce champ ; on peut faire la même chose avec une boussole fixée au sol et même avec certains liquides comme par exemple la glycérine.

    La supraconductivité fut découverte en 1911 aux Pays-Bas par H. Kamerlengh Onnes.  Au début du siècle, on savait que la résistance des métaux chutait de façon linéaire avec la température, jusqu'à une vingtaine de degrés kelvin environ « kelvin= symbole K, du nom de( Lord Kelvin )est sl ( système international) de la température thermodynamique. »

    Mais Onnes constate qu'en refroidissant le mercure à très basse température, celui-ci passe subitement dans un état où il n'offre plus aucune résistance au passage du courant électrique ; c'est le début de l'histoire de la supraconductivité.

    La supraconductivité est un phénomène qui a lieu à des températures très basses et pour lequel un métal perd toute résistance électrique. Alors si on applique les supraconducteurs devenus des diamagnétiques parfaits, « diamagnétique : découverte de Meissner, on l'appel effet meissner. » dans un champ magnétique et au dessus de la température critique Tc., l'aimant lui-même est alors repoussé et lévite au-dessus du supraconducteur.      Muguette Beaurivage Courriel: florelle

    (source : Norja

     

    La Supraconductivité

    La supraconductivité (ou supraconduction) est un phénomène caractérisé par l'absence de résistance électrique et l'expulsion du champ magnétique — l'effet Meissner — à l'intérieur de certains matériaux dits supraconducteurs. La supraconductivité découverte historiquement en premier, et que l'on nomme communément supraconductivité conventionnelle, se manifeste à des températures très basses, proches du zéro absolu (-273,15 °C).

    Dans les supraconducteurs conventionnels, des interactions complexes se produisent entre les atomes et les électrons libres et conduisent à l'apparition de paires liées d'électrons, appelées paires de Cooper. L'explication de la supraconductivité est intimement liée aux caractéristiques quantiques de la matière. Alors que les électrons sont des fermions, ces paires d'électrons se comportent comme des bosons, de spin égal à 0, et sont « condensées » dans un seul état quantique, sous la forme d'un condensat de Bose-Einstein.

    Un effet similaire de la supraconductivité est la superfluidité ou suprafluidité, caractérisant un écoulement sans aucune résistance, c'est-à-dire qu'une petite perturbation que l'on soumet à ce type de liquide ne s'arrête jamais, de la même façon que les paires de Cooper se déplacent sans aucune résistance dans un supraconducteur.

    Il existe également d'autres classes de matériaux, collectivement appelés « supraconducteurs non conventionnels » (par opposition à la dénomination de supraconductivité conventionnelle), dont les propriétés ne sont pas expliquées par la théorie conventionnelle.

    En particulier, la classe des cuprates (ou « supraconducteurs à haute température critique »), découverte en 1986, présente des propriétés supraconductrices à des températures bien plus élevées que les supraconducteurs conventionnels. Toutefois, ce que les physiciens nomment « haute température » reste extrêmement bas comparativement aux températures à la surface de la Terre (le maximum est 133K, soit -140 °C),.

    Bien que ce sujet soit, depuis le début des années 1990, un des sujets les plus étudiés de la physique du solide, en 2010 aucune théorie ne décrit de façon satisfaisante le phénomène de la supraconductivité à haute température critique.

    Historique 

    C'est la première observation d'un état supraconducteur. Des légendes attribuaient le mérite de la découverte seulement à l'étudiant de K. Onnes, Gilles Holst, mais le cahier d'expérience découvert récemment écrit de la main même de Kamerlingh Onnes montre que ce dernier était bien aux commandes de l'expérience ce jour là, Gilles Holst mesurant la résistance électrique avec un Pont de Wheatstone, Cornelis Dorsman, et Gerit Flim s'occupant des aspects de cryogénie. Pour l'ensemble de son travail lié à la liquéfaction et l'utilisation de l'hélium liquide, Kamerlingh Onnes a reçu le prix Nobel de physique en 1913.Le phénomène fut découvert en par un physicien néerlandais Kamerlingh Onnes et son équipe composée de Gilles Holst, Cornelis Dorsman, et Gerit Flim. Kamerlingh Onnes avait réussi à liquéfier pour la première fois de l'hélium en 1908 ce qui lui permit de mener des mesures physiques jusqu'à des températures de 1,5 K (-271,6°C). Il entreprit alors un programme de mesures systématiques des propriétés de la matière à très basse température, en particulier la mesure de la résistance électrique des métaux. Le 8 avril 1911, l'équipe de Kamerlingh Onnes mesure que la résistivité électrique (ou résistance électrique) du mercure devient nulle en dessous d’une certaine température appelée température critique Tc, de l'ordre de 4,2K pour le mercure.

    Des expériences avec de nombreux autres éléments montrèrent que certains possédaient des facultés de supraconductivité, mais d'autres non : citons en 1922, le plomb à 7 K et en 1941, le nitrure de niobium à 16 K.

    En 1933, Meissner et Ochsenfeld découvrent que les supraconducteurs repoussent le champ magnétique, un phénomène connu sous l'appellation d'effet Meissner. En 1935, les frères Fritz et Heinz London ont montré que l'effet Meissner est une conséquence de la minimisation de l'énergie libre transportée par le courant supraconducteur.

    C'est en 1950 que l'on constate que la température critique dépend de la masse isotopique.

    En 1950, une théorie phénoménologique dite de Ginzburg-Landau fut élaborée par Landau et Ginzburg. Cette théorie a été un succès pour expliquer les propriétés macroscopiques des supraconducteurs en utilisant l'équation de Schrödinger. En particulier, Abrikosov montra qu'avec cette théorie on peut prévoir qu'il existe deux catégories de supraconducteurs (appelés type I ou type II). Abrikosov et Ginzburg ont reçu le prix Nobel 2003 pour ce travail (Landau étant décédé en 1968).

    Une théorie complète de la supraconductivité fut proposée en 1957 par Bardeen, Cooper et Schrieffer. Connue sous l'appellation de leurs initiales théorie BCS, elle explique la supraconductivité par la formation de paires d'électrons (paires de Cooper) formant alors des bosons interagissant avec des phonons. Pour leur travail, les auteurs eurent le prix Nobel de physique en 1972.

    En 1959, Gorkov montra que la théorie BCS se ramène à la théorie de Ginzburg-Landau au voisinage de la température critique d'apparition de la supraconductivité.

    En 1962, les premiers fils supraconducteurs (un alliage de niobium-titane) sont commercialisés par Westinghouse. La même année, Josephson prévoit théoriquement qu'un courant peut circuler à travers un isolant mince séparant deux supraconducteurs ; ce phénomène qui porte son nom, l'effet Josephson, est utilisé dans les SQUIDs. Ces dispositifs servent à faire des mesures très précises de h/e, et combiné avec l'effet Hall quantique, à la mesure de la constante de Planck h. Josephson a reçu le prix Nobel en 1973.

    En 1986, Bednorz et Müller ont découvert une supraconductivité à une température de 35 K dans des matériaux de structure perovskite de cuivre à base de lanthane (Prix Nobel de physique, 1987).

    Très rapidement en remplaçant le lanthane par de l'yttrium, i.e. en produisant de l'YBa2Cu3O7, la température critique est montée à 92 K, dépassant la température de l'azote liquide qui est de 77 K. Cela est très important car l'azote liquide est produit industriellement à bas prix et peut même être produit localement. Beaucoup de cuprates supraconducteurs ont été produits par la suite et les mécanismes de cette supraconductivité sont encore à découvrir.

    Malheureusement, ces matériaux sont des céramiques et ne peuvent être travaillés aisément. De plus, ils perdent facilement leur supraconductivité à fort champ et donc les applications se font attendre. Les recherches se poursuivent pour diminuer la sensibilité aux champs et pour augmenter la température critique. Après la température de l'azote liquide, atteinte, le seuil psychologique et économique est la glace carbonique (-78,5 °C).

    Le 31 mai 2007, une équipe de physiciens franco-canadienne a publié dans la revue Nature une étude qui, selon un communiqué du CNRS, permettrait d'avancer sensiblement dans la compréhension de ces matériaux.

    En janvier 2008, l'équipe du professeur Hosono du Tokyo institute of technology a rapporté l'existence d'une nouvelle classe de supraconducteurs (les pnictides, de type ROFeAs ; où R est une terre rare) dopé avec du fluor sur le site de l'oxygène. La température critique maximale était de 28 K. Cette découverte a surpris l'ensemble de la communauté scientifique en raison de la présence du fer dans un supraconducteur ayant une aussi haute température critique.

    En août 2008, il semble y avoir un consensus indiquant que le fer joue un rôle majeur dans la supraconductivité de ces matériaux. Actuellement, des centaines de travaux sont publiés montrant l'enthousiasme de la communauté scientifique à propos de cette découverte. Un certain nombre de groupes ont rapporté une température critique maximale de l'ordre de 56 K dans le cas où R est une terre non magnétique. Fin mai 2008, le groupe du professeur Johrendt de l'université de Munich rapporte la supraconductivité dans le composé Ba0,6K0.4Fe2As2 avec une Tc de l'ordre de 38 K.

    Ce composé possède une structure cristallographique très proche de celle de LaOFeAs. Cette découverte est importante car elle montre que l'oxygène n'a aucun rôle dans le mécanisme de supraconductivité dans cette nouvelle classe de supraconducteurs. Le magnétisme semble en cause, comme pour les cuprates.

    Propriétés élémentaires

    Un supraconducteur est un matériau qui, lorsqu'il est refroidi en dessous d'une température critique Tc, présente deux propriétés caractéristiques, qui sont :

    • une résistance nulle ;
    • un diamagnétisme parfait.

    L'existence de ces caractéristiques, communes à tous les supraconducteurs conventionnels, permet de définir la supraconductivité comme résultant d'une transition de phase. L'étude des variations des propriétés physiques des supraconducteurs lorsqu'ils passent dans l'état supraconducteur confirme ceci et établit que la transition supraconductrice est une véritable transition de phase.

    Résistivité nulle

    L'absence totale de résistance électrique d'un supraconducteur parcouru par un courant limité est évidemment leur propriété la plus connue. C'est d'ailleurs celle-ci qui a donné son nom au phénomène.

    Effet Meissner 

    L'effet Meissner, nommé d'après Walther Meissner qui l'a découvert en compagnie de Robert Ochsenfeld en 1933 est le fait qu'un échantillon soumis à un champ magnétique extérieur expulse celui-ci lorsqu'il est refroidi en dessous de sa température critique, et ce, quel que soit son état antérieur.

    D'après les équations de Maxwell, dans tout matériau dont la résistance est nulle, le champ magnétique doit rester constant au cours du temps. Cependant, l'existence de l'effet Meissner montre que la supraconductivité ne se résume pas à l'existence d'une conductivité infinie.

    Expérimentalement, on montre l'effet Meissner en refroidissant un échantillon supraconducteur en dessous de sa température critique en présence d'un champ magnétique. Il est alors possible de montrer que le champ magnétique à l'intérieur de l'échantillon est nul, alors que pour un hypothétique conducteur parfait, il devrait être égal au champ magnétique appliqué lors de la transition.

    Note : certains supraconducteurs, dits de type II, ne présentent l'effet Meissner que pour de faibles valeurs du champ magnétique, tout en restant supraconducteurs à des valeurs plus élevées (cf. infra).

    (source : wikipedia)

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