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SUPRACONDUCTIVITÉ

Dans les années 1910, la théorie des métaux de Paul Drude attribue leur conductivité à l’existence en leur sein d’électrons libres, non liés aux ions du réseau cristallin. Cette conductivité est limitée par l’interaction avec les vibrations de ce réseau (ou phonons) et les impuretés du métal. Cette théorie prévoyait une décroissance de la résistivité électrique ρ du métal avec l’abaissement de la température, ρ tendant progressivement vers 0 au zéro absolu (0 kelvin, ou K, soit – 273,15 0C). Mais, à cause des impuretés contenues dans les échantillons réels de métaux, une résistance résiduelle perdurait encore. Heike Kamerlingh Onnes, physicien à Leyden, fut le premier à réussir à liquéfier l’hélium (He) et à atteindre des records de basse température (1 kelvin ou K). Il voulut tester les prédictions théoriques et choisit le mercure (Hg) car il était possible de l’obtenir à l’état pur par distillation. Avec son élève Gilles Holst, il réalisa en avril 1911, la mesure de la résistivité du mercure en abaissant progressivement la température.

Première mise en évidence de la supraconductivité - crédits : Encyclopædia Universalis France

Première mise en évidence de la supraconductivité

À leur grand étonnement, la résistance tombait à 0 à partir d’une température finie de 4 K, dite température critique (Tc), pour le mercure.Cette expérience constitua la première observation de la supraconductivité. Lorsque la Tc est atteinte, la résistance est donc vraiment nulle, non mesurable avec les appareils les plus perfectionnés : un courant électrique lancé dans un anneau de plomb (Pb) devenu supraconducteur en dessous de 4K, continue à circuler en théorie indéfiniment sans atténuation et sans aucun apport d’énergie extérieure. Depuis, de nombreux métaux et alliages supraconducteurs ont été découverts (Al, Pb, Nb, Nb3Sn…) avec des Tc variables, atteignant 23 K pour le niobium-germanium (Nb3Ge), puis des cuprates avec des Tc permettant d’utiliser l’azote liquide pour le refroidissement (donc supérieurs à 77,36 K soit – 195,79 0C), ouvrant ainsi de nombreuses perspectives d’applications.

La lévitation magnétique des supraconducteurs

L’effet Meissner, du nom de son découvreur en 1933, est une propriété remarquable des matériaux supraconducteurs qui désigne le phénomène d’expulsion du champ magnétique de l’intérieur de ceux-ci.

On classe les corps en deux catégories selon leurs propriétés magnétiques. Les paramagnétiques et les ferromagnétiques, comme le fer (Fe), s’aimantent dans la direction du champ extérieur qu’on leur applique, et les corps ferromagnétiques sont attirés par les aimants. Les corps diamagnétiques s’aimantent dans le sens inverse du champ extérieur et sont repoussés par les aimants. Si le champ magnétique intérieur de matériaux diamagnétiques atteint 0, on dit qu’ils sont des diamagnétiques parfaits.

Lorsqu’on place un cylindre supraconducteur (en plomb, par exemple) dans un champ magnétique extérieur H, la mesure du champ magnétique B à l’intérieur du cylindre donne 0. Il s’agit donc d’un diamagnétique parfait.

Lévitation magnétique - crédits : Julien Bobroff/CNRS Photothèque

Lévitation magnétique

Si l’on place maintenant un échantillon supraconducteur au-dessus d’un aimant, la pesanteur est compensée par la répulsion magnétique liée à l’expulsion du champ magnétique intérieur B du matériau supraconducteur : l’échantillon flotte. Ce phénomène est appelé « lévitation magnétique ».

Leur comportement vis-à-vis du champ magnétique extérieur sépare les supraconducteurs en deux catégories. Le plomb est un exemple de supraconducteur de type I. Le champ magnétique interne du plomb à l’état supraconducteur est expulsé jusqu’à un champ appliqué extérieur maximum Hc (dit champ critique), atteignant la valeur 5 × 10–2 tesla (T ; unité d’induction magnétique) pour le plomb à 4 K. La valeur de Hc décroît quand la température T augmente et s’annule lorsqu’elle atteint la valeur Tc.

Pour certains alliages supraconducteurs, dits[...]

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Écrit par

  • : ancien directeur du laboratoire de physique de l'École normale supérieure

. In Encyclopædia Universalis []. Disponible sur : (consulté le )

Médias

Première mise en évidence de la supraconductivité - crédits : Encyclopædia Universalis France

Première mise en évidence de la supraconductivité

Lévitation magnétique - crédits : Julien Bobroff/CNRS Photothèque

Lévitation magnétique

Lev Landau - crédits : Fox Photos/ Getty Images

Lev Landau

Autres références

  • DÉCOUVERTE DES SUPRACONDUCTEURS À HAUTE TEMPÉRATURE

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 112 mots
    • 1 média

    En 1986, le chimiste allemand J. Georg Bednorz et le physicien suisse Alex Müller inaugurent, aux laboratoires I.B.M. de Zurich, l'âge de la supraconductivité à haute température avec la fabrication d'une céramique, mélange de baryum, lanthane, cuivre et oxygène, de température critique...

  • SUPRACONDUCTIVITÉ CONVENTIONNELLE

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 701 mots
    • 1 média

    Les matériaux supraconducteurs sont très divers, et leur état supraconducteur est toujours difficile à atteindre. La température critique (Tc) en dessous de laquelle ils n’opposent aucune résistance au passage d’un courant électrique est en général extrêmement basse, de l’ordre de quelques...

  • THÉORIE DE LA SUPRACONDUCTIVITÉ

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 119 mots
    • 1 média

    Découverte sur un échantillon de mercure par le physicien néerlandais Kamerlingh Onnes en 1911, la propriété qu'ont certains éléments de n'opposer aucune résistance au passage d'un courant électrique à température suffisamment basse est comprise en 1957 par les physiciens américains ...

  • ACCÉLÉRATEURS DE PARTICULES

    • Écrit par Michel CROZON, Jean-Louis LACLARE
    • 3 528 mots
    • 3 médias
    ...magnétiques guidant les particules ne dépassaient guère 1,5 tesla. Une grande partie de l'énergie électrique y était dissipée par effet Joule. La production d'enroulements supraconducteurs aux performances garanties a permis d'atteindre des champs plus élevés. À énergie égale des particules accélérées, le diamètre...
  • ABRIKOSOV ALEXEI ALEXEEVICH (1928-2017)

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 439 mots

    Le physicien théoricien Alexei Abrikosov est né le 25 juin 1928 à Moscou. Après des études à l'université de Moscou, il soutient en 1951 et 1955 ses deux thèses à l'Institut des problèmes physiques. Peu après que ses compatriotes Vitaly L. Ginzburg et Lev Landau ont proposé en 1950 une théorie résolument...

  • ALLIAGES

    • Écrit par Jean-Claude GACHON
    • 7 362 mots
    • 5 médias
    ...d'horizon ne peut être complet qu'avec l'évocation de quelques types d'alliages particuliers, tels les supraconducteurs et les alliages à mémoire de forme. Les premiers supraconducteurs connus étaient des métaux purs qui, au voisinage de 0 kelvin (— 273 0C), perdaient toute résistance électrique,...
  • BARDEEN JOHN (1908-1991)

    • Écrit par Pierre GOUJON
    • 1 004 mots
    • 3 médias

    John Bardeen est un physicien américain né le 23 mai 1908 à Madison, dans l’État du Wisconsin. La physique est une discipline paradoxale : les interrogations qu'elle suscite compensent en nombre et en importance les hypothèses qu'elle confirme. D'où le côté impatient, obstiné, passionné du physicien,...

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Voir aussi