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II
La lévitation magnétique
NOTION DE
LEVITATION MAGNETIQUE
A
proprement parlé, la lévitation est une élévation
sans appui ni intervention matérielle ou
physique d´un objet au-dessus de son support.
En physique, la lévitation est une technique
permettant de soustraire un objet à l´action
de la pesanteur par l´intermédiaire de différents
procédés électrostatique et électrodynamique
ou encore grâce à un faisceau laser, mais également
par magnétisme.
Le
théorème d'Earnshaw nous montre que la
lévitation totale d'un corps dans un champ magnétique,
( phénomènes concernant des aimants ou des
masses magnétiques au repos ) n'est possible
qu'en présence de matériaux diamagnétiques (
dipôles ), des substances qui, placées dans un
champ magnétique, prennent une aimantation de
sens inverse, donc qui sont repoussées par un
aimant.
La
démonstration du théorème d'Earnshaw
permet de montrer qu'un corps conducteur placé
dans un champ magnétique peut atteindre un état
de lévitation totale.
Mais
si l´on se place hors de ces hypothèses, on
peut considérer la lévitation magnétique de
manière différente. On peut dire que tout
corps posé à la surface de la Terre lévite à
une distance microscopique du fait des forces électromagnétiques
intermoléculaires.
De
plus, il est possible de faire léviter des
supraconducteurs ou d´autres matériaux diamagnétiques.
A l´intérieur de ces matériaux, les électrons
ajustent leur trajectoire de manière à
compenser l´influence du champ magnétique extérieur,
ce qui résulte en un champ magnétique induit
étant d´une direction opposée au champ extérieur.
Enfin,
il est possible de faire léviter un objet avec
des aimants permanents.
La
lévitation magnétique est donc réalisable de
différentes manières. Nous connaissons en tout
trois procédés qui nous permettent d´étudier
le phénomène :
A ) Utilisation
d'aimants permanents
Les aimants permanents et les électroaimants sont
certainement les outils les plus simples à
utiliser pour étudier le phénomène de lévitation
magnétique.
Nous savons qu´en opposant deux aimants de même
pôle, ils se repoussent. Et bien une lévitation
magnétique avec des aimants permanents est
aussi simple que cela !
Pourtant,
il est impossible de faire léviter complètement
un aimant permanent au-dessus d´un autre et
pour cause : lorsque deux aimants se repoussent
et tant qu´on ne les lâche pas, aucun problème
ne survient, mais quand on laisse les aimants s´échapper,
l´aimant en suspension se retourne pour aller
se coller contre l´autre, résultant d´une
attirance entre les pôles sud et nord des deux
aimants.
Mais il est tout de même possible de faire léviter
un objet avec des aimants permanents. L´exemple
le plus flagrant est celui du LEVITRON.
Il
s´agit d´une toupie aimantée qui est en
rotation et en lévitation au-dessus d´une base
aimantée.
(
Voir vidéo )
Le Lévitron peut-être considéré comme une sorte
de corps diamagnétique : par rotation, on
stabilise la direction du
moment magnétique dans l´espace (on
obtient un gyroscope magnétique) et on place
cet aimant dans un champ magnétique
antiparallèle.
Avec deux aimants permanents, il n´y a donc pour
nous qu´une seule solution pour étudier une lévitation
: la contrôler.
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On emprisonne 4 aimants dans une cage transparente.
Ils ne peuvent effectuer que des
mouvements verticaux.
Ils semblent flotter les uns
au-dessus des autres.
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B ) Utilisation
d'électroaimants
Un
champ magnétique n'est pas créé seulement par
les aimants, car tout courant électrique crée
autour de lui un champ magnétique.
Les électroaimants ont les mêmes réactions que les
aimants, mais le champ magnétique qu´ils génèrent
est obtenu de manière différente.
Nous avons vu qu´un fil traversé d´un
courant produit un champ magnétique. L´électroaimant
fonctionne selon le même principe : il s´agit
d´un nombre " n " d´enroulement de
fil de cuivre appelé spire. Plus il y a de
spires, plus l´électroaimant est puissant.
Plus
communément, les électroaimants sont également
appelés bobines.
Comme les aimants, un électroaimant
possède des lignes de champ.
On peut remarquer qu´elles sont similaires à celle
d´un aimant ( figure 1 ).
Si l´on considère maintenant les électroaimants,
rien n´est vraiment différent par rapport aux
aimants. Certes, lorsqu´on oppose deux électroaimants
puissants dont les champs magnétiques sont
contraires, on obtient bien une lévitation très
nette, mais il reste toujours un problème de
stabilité.
Il est donc ici également nécessaire de contrôler
cette lévitation.
Pourtant, ce système est tout de même utilisé, et
l´on ne peut que citer l´exemple du train à lévitation
magnétique allemand, le Transrapid, qui
fonctionne grâce à ce même principe.
à
Expérience réalisée en classe avec une
bobine et un aimant : ( voir vidéo )
On dispose d’un aimant droit et d’un
dispositif composé d’une bobine " enroulée "
autour d’un métal en U.
On pose l’un des pôles de l’aimant droit sur
l’extrémité du métal en U où la bobine
n’est pas située. Le pôle se fixe au métal
qui possède un pôle similaire. Puis on
alimente la bobine. L’autre pôle de
l’aimant lévite maintenant au-dessus de
l’autre extrémité du U.
C
) LA SUPRACONDUCTIVITE
La
supraconductivité fut découverte en 1911 aux
Pays-Bas par H. Kamerlingh Onnes. Au début du
siècle, on savait que la résistance des métaux
chutait de façon quasiment linéaire avec la
température, jusqu´à une vingtaine de degrés
kelvin environ.
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.
Qu´appelle-t-on
supraconductivité ?
La supraconductivité est un phénomène qui a lieu
à des températures très basses et pour lequel
un métal perd toute résistance électrique.
De ce fait, les courants électriques traversent les
métaux sans aucune perte d´énergie.
Un courant peut ainsi circuler indéfiniment dans un
circuit, du moment que ce circuit reste à une
température inférieure à la température de
transition (température en dessous de laquelle
le matériau devient supraconducteur).
La
plupart des températures de transition se
situent entre 1 et 10 Kelvins au-dessus du zéro
absolu. Mais depuis 1986, des matériaux ayant
des températures de transition plus élevées
ont été découverts.
Aux températures ordinaires, les métaux ont une
certaine résistance au flux des électrons, due
à l’agitation des atomes. Mais à mesure que
la température diminue, ces atomes s’agitent
de moins en moins et la résistance baisse
lentement jusqu'à la température critique où
la résistance tombe à zéro.
Le lien avec le champ magnétique s’établie avec l´effet
Meissner : lorsqu´on applique un champ
magnétique à une substance supraconductrice à
une température T supérieure à la température
critique Tc, les lignes d´induction pénètrent
dans l´échantillon, mais si l´on refroidit
petit à petit cette substance, les lignes d´induction
sont brutalement expulsées de la masse, à une
certaine température critique Tc.
Au niveau extérieur, cela se traduit par le fait que
le supraconducteur crée des courants de surface
produisant un champ magnétique qui contrecarre
le champ extérieur.
Le
champ induit repousse la source du champ appliqué,
et va par conséquent repousser l´aimant associé
à ce champ.
Cela implique que si un
aimant est placé au-dessus d´un
supraconducteur, quand le supraconducteur est
au-dessus de sa température critique, puis qu´on
le refroidit en dessous de la température
critique Tc, le supraconducteur va alors
repousser le champ magnétique de l´aimant.
L´aimant lui-même est alors repoussé et lévite
au-dessus du supraconducteur. Pour que cette expérience
soit une réussite, la force de répulsion doit
être supérieure au poids de l´aimant.
Remarquons que l´aimant qui lévite reste au-dessus
du supraconducteur.
Cet équilibre est une manifestation du "flux
pinning". Certaines lignes de champ de
l'aimant ont pénétré le supraconducteur et le
« retiennent » .
(
voir vidéo )
Il s´avère donc que les supraconducteurs sont des
diamagnétiques parfaits. Cet effet fut découvert
par Meissner et Ochsenfeld, et garda le nom d´effet
Meissner.
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