MAGLEV JAPONAIS
2-Un autre moyen de léviter grâce à la supraconductivité
On a vu que la supraconductivité avait des propriétés étonnantes permettant de :
1. faire léviter une pastille supraconductrice à la périphérie d’un rail d’aimants,
2. superconduire le courant électrique avec des supraconducteurs.
La première caractéristique de la supraconductivité étant compliquée à implanter sur le réseau ferroviaire, les techniciens japonais vont exploiter la seconde pour permettre en partie au Maglev de léviter.
Leur idée est de soulever le train grâce au principe de sustentation électrodynamique (EDL) qui utilise :
- la production de champs magnétiques intenses créés au sein des 3 voitures du Maglev,
- et l’induction de courants induits dans des aimants situés dans la voie de guidage pour établir des forces de répulsion suffisamment puissantes de manière à ce que l’entrefer (distance sol-train) atteigne 10 cm.
La voie du Maglev Japonais est donc équipée d’aimants en forme de huit, totalement passifs qui s’activent au passage du champ magnétique comme ci-dessous.
L’EDL est donc régit par deux phénomènes distincts que nous traiterons l’un après l’autre.
2.1-Comment créer un champ magnétique intense ?
Les experts japonais ont donc besoin de créer des champs magnétiques de plus de 5 teslas. Les lois de l’électromagnétisme nous apprennent qu’une bobine faite d’enroulement de métal fin, traversée par un courant électrique produit un champ magnétique. Néanmoins, c’est un courant intense de 700 000 ampères heure qui doit être induit dans les bobines.
Et alors ? Pourquoi un courant intense ne peut pas circuler dans une bobine de métal simple ? Comment et pourquoi la supraconductivité intervient-elle ?
Nous avons réalisé une expérience au CNRS qui permet de mieux comprendre le problème auquel les ingénieurs japonais sont confrontés.
a. Que se passe-t-il si on fait passer un courant intense dans un métal conducteur simple comme le cuivre ?
Voici un notre expérience témoin faite au CNRS.
Au début, le circuit est ouvert, aucun courant n’est crée et la lampe ne s’allume pas.
Si on ferme le circuit, la lampe ne s’allume toujours pas car l’intensité du courant crée par les piles est telle que la bobine de cuivre résiste trop.
Aucun courant ne parvint à la lampe qui reste passive.
Mais que font les électrons dans le cuivre lorsqu’on fait passer un courant intense ? Que se passe-t-il dans la matière ?
Pour résoudre ce problème, on peut refroidir le cuivre avec de l’azote liquide.
En effet, dans cette vidéo, la résistance du métal diminue et la lampe s’allume.
Néanmoins, la résistance du cuivre est encore trop élevée pour conduire un courant de plusieurs centaines milliers d’ampères.
b. Comment créer un fort champ magnétique sans prendre le risque que le métal fonde ?
L’unique moyen d’obtenir une résistance nulle et un matériau qui ne fond pas au passage du courant, est d’utiliser des supraconducteurs.
Cette fois-ci, on garde le même circuit résistif mais avec un supraconducteur à la place du cuivre. On ferme le circuit, la lampe ne s’allume.
On refroidit la pastille avec de l’azote liquide pour que ses propriétés supraconductrices apparaissent et la lampe s’allume subitement de manière très intense.
Comme dans l’expérience de Kammerlingh Onnes on observe que la résistance devient nulle soudainement et la lampe s’allume subitement.
Mais que font les électrons dans un supraconducteur lorsqu’on fait passer un courant intense en son sein ? Pour le savoir, abordons les bases de la physiques quantiques ainsi que la définition même de l'électron.
Les japonais utilisent donc la résistance nulle des supraconducteurs pour faire passer un courant intense dans les bobines supraconductrices et produire un champ magnétique intense. La production d'un champ magnétique intense permet de faire léviter le train grâce aux forces de Lenz.
2.2-Utilisation de la force de lenz
Définition : La loi de Lenz précise que, si une variation de flux apparaît dans un cadre constitué d'un conducteur électrique comme les aimants en forme de huit situées dans les parois de la voie de guidage du Maglev, une force électromotrice e(t) c’est-à-dire un courant induit apparaîtra aux bornes de ce cadre. Cette force électromotrice créée, s'oppose à la variation de flux dans le cadre.
Ainsi le champ magnétique intense crée par les bobines supraconductrices doit être en mouvement pour induire des courants dans les aimants de lévitation situés dans la voie de guidage de Maglev. C’est pourquoi la lévitation est possible qu’à partir d’une vitesse supérieure à 100 km/h. Au démarrage, le Maglev est donc propulsé par des roues rétractables le temps qu’il atteigne cette vitesse.
2.3-ANIMATION BILAN
Ce processus est répété de l'autre côté du Maglev de sorte à ce qu'il puisse léviter comme ci-dessous:
