Materiaux supraconducteurs

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GEL-22230
Appareillage électrique et Matériaux
Matériaux
Supraconducteurs
Hiver 2008 M. Zerbo
Cours N°2 (suite)
23-01-2008
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Supraconducteurs
1 - Définition
2 - Résistivité et température critique
3 - Température critique et champ critique
4 - Effet Meissner
5 - Théorie BCS
6 - Stabilisation d’un supraconducteur
7 - Jonction et Effet Josephson
8 - Applications de la supraconductivité
9 - Conclusion

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La supraconductivité est la propriété appartemant à
certains matériaux de présenter une résistance
électrique nulle en courant continu lorsque:
- la température est inférieure à une température
critique Tc;
- le champ magnétique n’excède pas un champ
magnétique critique Hc.
De tels matériaux sont appelés supraconducteurs
1- Définition
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2 - Résistivité et température critique

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3- Température critique et champ critique
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3- Température critique et champ critique

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4- Effet Meissner
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4- Effet Meissner
On appelle Supraconducteurs de 1ère espèce, ou
supraconducteurs de type 1, les supraconducteurs
dans lesquels l’effet Meissner cesse brutalement
lorsque H atteind Hc.
4.1- Supraconducteurs de type 1

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4- Effet Meissner
On appelle Supraconducteurs de 2ème espèce, ou
supraconducteurs de type 2, les supraconducteurs
dans lesquels il y a une disparition progressive de
l’effet Meisssner à partir d’une valeur du champ
magnétique appelée champ critique inférieur HC1 , la
disparistion totale de l’effet Meissner accompagée de
la transition à l’état normal intervenant au champ
critique supérieur Hc2.
4.2- Supraconducteurs de type 2
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4- Effet Meissner
Les champs HC1 et Hc2 sont souvent très difféerents
l’un de l’autre.
Pour l’alliage Nb3Sn, par exemple, µoHc1=0.01T et
µoHc2=22T.
4.2- Supraconducteurs de type 2
Lorsque l’on parle simple du champ critique d’un
supraconducteur de type 2, c’est de Hc2 qu’il s’agit.

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5. - Théorie BCS BCS : Bardeen Cooper et Schrieffer
La théorie BCS a démontré l’existance simultanée
d’électrons normaux et d’électrons supraconducteurs
et fournie une description quantite du comportement
de ces derniers.
Les électrons supraconducteurs occupent des états
pour lesquels w<wF–∆w/2, les électrons normaux les
états où w>wF+∆w/2.
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5. - Théorie BCS
Représentation d’un tronçon de supraconducteur via
l’existence simultanée d’électrons supraconducteurs et normaux

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6 - Stabilisation d’un supraconducteur
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6 - Stabilisation d’un supraconducteur

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7- Jonction et Effet Josephson
On appelle jonction Josephson un ensemble de deux
supraconducteurs séparés l’un de l’autre par une
mince couche d’isolant, d’une épaisseur δ de l’ordre
de 1 à 3 nm.
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7- Jonction et Effet Josephson
La réalisation de la jonction est faite en déposant par
évaporation une première couche de supraconducteur
sur un substrat isolant tel que le verre.
En laissant oxyder superficiellement ce premier dépôt,
l’on obtient la couche isolante sur laquelle un second
dépôt de supraconducteur est effectué.
Au dessus de la température critique (Tc), un faible
courant circule dans la jonction par effet tunnel
ordinaire, et l’on observe une caractéristique courant-
tension approximativement linéaire. La jonction se
comporte comme une résistance.

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7- Jonction et Effet Josephson
Au desous de Tc, le comportement de la jonction
change complètement. Un courant continu, inférieur
à une valeur limite Ic, peut traverser la jonction sans
que différence de potentiel n’appraisse entre les
faces de l’isolant. Ce phénomène constitue l’effet
Josephson continu.
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7- Jonction et Effet Josephson
Lorsque le courant dépasse Ic, une différence de
potentiel U apparaît brusquement aux bornes de la
jonction. Josephson a montré que cette tension est
lié au courant I circulant dans la jonction par les
expressions:
Ce comportement de la jonction est connu sous le nom
d’effet Josephson alternatif.
Où représente la différence de
phase entre les fonctionss d’onde
de part et d’autre de la jonction.

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7- Jonction et Effet Josephson
D’où:
Ce qui montre que si la jonction est polarisée par une
tension continue, le courant est purement sinusoïdal:
π
⋅
=
2
h
Constante de Planck:
h=6,626 10-34J·s
ħ
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8 - Applications de la supraconductivité
Le frein principal au développement des applications
de la supraconductivité est la température très basse
à laquelle elle se manifeste.
Applications:
- Fabrication de bobine de plus petites dimensions
dont le champ atteint 20T et davantage;
- Fabrication de magnétomètres ultrasensibles
capables d’atteindre une résolution de 10-15 T (via
effet Josephson);
- Fabrication de circuits en microélectronique.

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9 - Conclusion
Les matériaux supraconducteurs sont encore au niveau de la
recherche et du développement dans des laboratoires
spécialisés.
Cependant, ces matériaux laissent voir aux chercheurs et
ingénieurs électriques des perspectives futures de concevoir
des appareils et conducteurs électriques de très petites
dimensions (sections) pouvant transporter des dixaines voire
des milliers d’ampères sans risques de destruction par effet
joule.
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Références:
1 – Philippe Robert, Matériaux de l’électrotechnique, Vol. II, Traité
d’électricité, Éditions Georgi, ISBN 2-604-00002-4, Suisse 1979.
3 – Maxime Dubois, Cours- Conducteurs électriques IGEE, Ulaval, 2006.
2 – R. C Dorf, Electrical Engineering, Handbook, CRC Press, Inc.,Chapitres
56-61, TK145.E354 1993, Florida-USA 1993.

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FIN