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Les supraconducteurs sont des matériaux qui exhibent le phénomène de la supraconductivité (ou supraconduction), c'est-à-dire l'absence de résistance électrique, en dessous d’une certaine température critique Tc. 
Histoire de la découverte des supraconducteurs
Les premiers supraconducteurs connus à partir de 1911, suite aux travaux du physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes et son équipe, et que l'on nomme communément des supraconducteurs conventionnels, ne le devenaient qu’à des températures très basses, proches du zéro absolu. La résistance électrique du mercure, par exemple, devient nulle en dessous de 4,2 kelvins (K). C’est en 1986 que l’on a découvert les cuprates, les premiers exemples d'autres classes de matériaux, collectivement appelés supraconducteurs non conventionnels. Aujourd’hui, le record pour un supraconducteur à haute température critique reste extrêmement bas comparativement aux températures à la surface de la Terre (le maximum est 133 K, soit -140 °C). Si l’on disposait d’un supraconducteur à température ambiante, on pourrait entre autres transporter de l'électricité sans perte d'énergie et réaliser des Maglev économiques, comme des trains supersoniques dans des tubes sous vide.
Vidéo sur la découverte de la supraconductivité et ses applications. © CNRS Images/INP/Université Paris-Diderot
La théorie BCS
Une théorie complète de la supraconductivité fut proposée en 1957 par John Bardeen, Leon Cooper et John Schrieffer qui reçurent par la suite pour cette découverte le prix Nobel de physique en 1972. Connue comme théorie BCS, d'après leurs initiales, elle permettait de comprendre ce que laissait dans l’ombre une théorie phénoménologique dite de Ginzburg-Landau qui fut élaborée par Lev Landau et Vitali Ginzburg en 1950. La théorie BCS explique la supraconductivité par la formation de paires d'électrons (paires de Cooper) formant alors des bosons interagissant avec des phonons. Ce faisant, le courant électrique peut se comporter d’une certaine façon comme un superfluide.
Mais cette théorie ne fonctionne bien que dans le cas des supraconducteurs conventionnels et semble échouer pour les autres supraconducteurs. Cependant, les avis des théoriciens diffèrent sur ce sujet. On pense que dans le cas de certains supraconducteurs non conventionnels ce sont des interactions magnétiques qui seraient responsables de la formation de paires de Cooper. Plusieurs familles de matériaux sont considérées comme non conventionnelles. Les supraconducteurs organiques ou moléculaires (sels de Bechgaard), les cuprates, ou les pnictures en sont des exemples.

Supraconducteur

D'une circonférence de 27 kilomètres, le LHC (Large Hadron Collider ou grand collisionneur de hadrons) est le plus grand et le plus puissant accélérateur de particules du monde. Situé à la frontière franco-suisse, il dépend du Cern. Les premiers faisceaux de particules, des protons, l'ont parcouru le 10 septembre 2008 et les premières collisions se sont produites le 30 mars 2010. Une vidéo extraite du site Du Big Bang au Vivant avec des commentaires de Jean-Pierre Luminet sur le LHC. © Groupe ECP, www.dubigbangauvivant.com/Youtube Des faisceaux de proton (allant à 99.999999 % de la vitesse de la lumière) et même d'ions lourds y circulent lorsqu'il fonctionne. Les objectifs du LHC au niveau de la physique standard sont la détection du boson de Higgs et l'étude du quagma, le plasma de quarks et de gluons produit par collisions d'ions lourds. La détection du Higgs est nécessaire pour valider complètement le modèle standard électrofaible joint à la QCD. Le quagma est un état de la matière hadronique que l'on doit trouver dans certaines étoiles à neutrons et dans les tout premiers instants de l'univers, son étude devrait être faite avec le détecteur Alice.Par contre, au niveau de la physique non standard, les possibilités sont vertigineuses !Les missions du LHCEn premier lieu, c'est la détection des partenaires supersymétriques des particules du modèle standard qui devrait faire l'objet du maximum d'attention, c'est la tâche des détecteur Atlas et CMS. Avec la mise en évidence du Higgs, cela devrait nous donner une clé importante pour la compréhension de la masse des particules de l'univers et peut-être aussi la nature de la matière noire. LHCb devrait pouvoir aussi nous renseigner sur la supersymétrie, mais son objectif principal est de comprendre la violation CP, capitale pour l'élucidation de l'énigme de l'asymétrie matière/antimatière.En second lieu, la mise en évidence de dimensions spatiales supplémentaires, et même la détection de la création de minitrous noirs, avec Atlas et CMS, fait partie des possibilités les plus excitantes. La théorie des cordes pourrait même y trouver une confirmation !Toutefois, sauf surprises, il faudra probablement attendre fin 2012 pour que le LHC collecte un nombre assez grand de données pour pouvoir tester ces théories encore très spéculatives. Quelques chiffres concernant le LHCLe Large Hadron Collider est un collisionneur en forme d’anneau de 27 kilomètres de long situé dans un tunnel à environ 100 mètres sous terre, près de Genève ;L’énergie totale dans le centre de masse sera de 14 TeV (c'est 7 fois plus élevé que le Tevatron du Fermilab) ce qui permettra de rechercher de nouvelles particules massives jusqu'à m ~ 5 TeV ;Luminosité = 1034 cm-2 s-1 (c'est plus de 100 fois plus élevé qu’avec le Tevatron du Fermilab). Cela permet la recherche de processus rares ; La fréquence de révolution est de 11,2 kHz (11.200 fois par seconde).Consommation d'énergie : ~ 120 MW ;Chaque faisceau de protons à pleine intensité sera composé de 2.808 paquets de particules (on parle de « bunches » en anglais) ;Chaque bunche contiendra 1,15 x 1011 protons ;Les bunches sont longs de quelques centimètres mais leur dimension transversale est réduite à 16 microns seulement juste avant collision ;La longueur totale des câbles supraconducteurs nécessaire est d'environ 7.600 kilomètres. Chaque câble étant constitué de filaments, la longueur totale des filaments est de 10 fois la distance de la Terre au Soleil ; Le vide dans lequel circulent les faisceaux de protons est très poussé, seulement 10-10 torr (~ 3 millions molécules/cm3) et ceci afin d'éviter au maximum les collisions avec des molécules de gaz. C'est l'équivalent de la pression à une altitude de 1.000 kilomètres. Rappelons que la pression atmosphérique est de 760 torr ;Les aimants supraconducteurs du LHC sont refroidis à 1,9 Kelvins avec de l'hélium superfluide à la pression atmosphérique.Le LHC va stocker un faisceau d'énergie de 360 mégajoules environ : 2.808 bunches x 1,15 1011 protons d’une énergie de 7 TeV chacun = 2808 x 1,15 x 1011 x 1012 x 7 x 1,602 x 10-19 joules = 362 MJ par faisceau. Cela peut être comparé à :En énergie cinétique :1 petit navire de croisière de 10.000 tonnes se déplaçant à 30 km/h ;450 véhicules de 2 tonnes se déplaçant à 100 km/h.En énergie chimique :L’explosion de 80 kilos de TNT ;La métabolisation de 70 kilos de chocolat (en comptant les calories) ; l'énergie dans le chocolat est libérée un peu plus lentement que dans l’explosion du TNT !En énergie thermique :Ce qu’il faut pour fondre 500 kilos de cuivre ;Ce qu’il faut pour porter 1 mètre cube d'eau à 85 ° C ou encore préparer 1 tonne de thé.Pour en savoir plusAliceAtlasCMSLHC

Un aimant, dans le domaine de la physique, est un matériau capable de produire un champ magnétique. Ce phénomène découle de propriétés particulières au sein de la matière magnétique, qui joue un rôle crucial dans divers aspects de la technologie moderne et de la compréhension fondamentale des forces qui gouvernent notre univers.

Propriétés d'un aimant
La propriété fondamentale d'un aimant est de générer un champ magnétique exerçant une force attractive ou répulsive sur les objets magnétiques. Un aimant possède un pôle nord et un pôle sud. Les pôles de même nature se repoussent, ceux de natures différentes s'attirent. Les aimants sont donc des dipôles magnétiques, dont les pôles sont inséparables ; l'existence d'un monopôle magnétique étant exclue jusqu'à preuve du contraire.

 Attraction des pôles opposés : lorsque les pôles nord et sud de deux aimants sont rapprochés, ils s'attirent. Cette attraction découle de la tendance naturelle des champs magnétiques à chercher l'alignement et à minimiser leur énergie potentielle. Les lignes de champ magnétique émises par le pôle nord d'un aimant s'orientent vers le pôle sud d'un autre aimant, créant ainsi une force attractive.
 Répulsion des pôles similaires : en revanche, si les pôles nord de deux aimants ou les pôles sud de deux aimants sont rapprochés, ils se repoussent. Cela s'explique par le fait que les champs magnétiques cherchent à s'éloigner les uns des autres, minimisant ainsi l'énergie potentielle. Les lignes de champ magnétique émises par le pôle nord d'un aimant repoussent les lignes de champ du pôle nord d'un autre aimant, générant une force répulsive.


Le champ magnétique
Le champ magnétique est créé par le déplacement de charges électriques, généralement des électrons en mouvement dans un matériau magnétique. La force magnétique agit sur d'autres objets magnétiques ou sur des charges en mouvement. La mesure du champ magnétique se fait en gauss ou en tesla.
Par exemple, le champ magnétique terrestre est créé par les mouvements complexes du fer liquide dans le noyau externe de la Terre. Ce processus génère un champ dipolaire qui s'étend depuis l'intérieur de la Terre dans l'espace jouant un rôle crucial dans la protection de notre Planète contre les radiations solaires nocives en formant la magnétosphère. Le pôle magnétique terrestre n'est pas aligné exactement avec le pôle géographique, et sa position change lentement au fil du temps en raison de mouvements dans le noyau terrestre. Ce champ est essentiel pour la navigation, les migrations d'animaux et influence également les phénomènes atmosphériques tels que les aurores boréales. La mesure du champ magnétique terrestre fournit des informations vitales sur la dynamique du noyau terrestre et les processus géophysiques.

Pourquoi un aimant est-il magnétique ?
Le fonctionnement d'un aimant est étroitement lié aux propriétés magnétiques de sa matière constitutive. À l'échelle microscopique, les moments magnétiques des atomes ou des molécules s'alignent, créant ainsi des domaines magnétiques. Lorsque ces domaines sont bien alignés, l'objet dans son ensemble devient magnétique, capable de générer un champ magnétique externe.

De quoi est fait un aimant ?
Les aimants sont généralement composés de matériaux magnétiques tels que le fer, le cobalt ou le nickel. Ces matériaux possèdent des moments magnétiques intrinsèques. Le moment magnétique est une propriété intrinsèque associée à la présence de charges en mouvement, en particulier les électrons dans un atome. Il résulte de la combinaison du spin et du mouvement orbital des électrons. Ce vecteur, représenté par la direction et l'intensité du champ magnétique généré, est fondamental pour comprendre le magnétisme des matériaux et la création de champs magnétiques dans des objets tels que les aimants.

L'aimant naturel
Certains matériaux sont naturellement magnétiques. La magnétite est un minéral composé de fer et d'oxygène dont la structure cristalline particulière permet l'alignement spontané des moments magnétiques, créant un matériau avec des propriétés magnétiques intrinsèques. Outre la magnétite, il existe d'autres exemples d'aimants naturels, tels que certains minéraux et roches. Les aimants naturels jouent un rôle important dans divers phénomènes géologiques et ont même été utilisés dans la navigation au cours de l'histoire, notamment par les navigateurs utilisant des boussoles.

Les métaux magnétiques
Certains métaux, tels que le fer, le cobalt et le nickel, sont intrinsèquement magnétiques. Ces métaux possèdent des moments magnétiques forts, ce qui les rend particulièrement adaptés à la fabrication d'aimants artificiels ; on distingue les aimants permanents tels que le barreau aimanté, l'aimant en U, l'aiguille magnétique, et les aimants temporaires tels que les électroaimants. Ces aimants sont constitués de matières ferromagnétiques.

L’aimant le plus puissant du monde
L'aimant le plus puissant du monde est généralement considéré comme étant fabriqué à partir d'un alliage de terres rares appelé néodyme-fer-bore (NdFeB). Ces aimants, connus sous le nom d'aimants en néodyme, peuvent générer des champs magnétiques extrêmement forts. Ils surpassent considérablement d'autres types d'aimants en termes de puissance magnétique, ce qui les rend indispensables dans de nombreuses applications technologiques, notamment les dispositifs électroniques, les équipements médicaux et les moteurs électriques. La combinaison unique de propriétés magnétiques du néodyme, associée à sa disponibilité relative, en fait le choix privilégié pour la fabrication des aimants les plus puissants du monde.

Les applications de l'aimant
Les applications de l'aimant s'étendent à travers divers secteurs, de la technologie quotidienne à la médecine et à la navigation.

 Les dispositifs électromagnétiques : les aimants jouent un rôle central dans de nombreux dispositifs électromagnétiques omniprésents. Les moteurs électriques, utilisés dans divers appareils électroménagers, automobiles et industries, dépendent de l'interaction entre champs magnétiques pour convertir l'énergie électrique en mouvement mécanique. Les haut-parleurs, les générateurs électriques et les relais électromagnétiques exploitent également les propriétés des aimants pour leur fonctionnement.
 Les technologies médicales : les aimants sont largement utilisés dans les technologies médicales pour des applications diagnostiques et thérapeutiques. Les appareils d'imagerie par résonance magnétique (IRM) utilisent des aimants puissants pour générer des images détaillées des tissus internes du corps. Les aimants permanents, quant à eux, sont employés dans des dispositifs tels que les stimulateurs cardiaques et les implants auditifs. La magnétothérapie explore également l'utilisation des champs magnétiques dans le traitement de certaines affections.
 La boussole : la boussole, un instrument de navigation ancien mais toujours crucial, tire son fonctionnement des propriétés magnétiques de la Terre. Un aimant libre, généralement en forme d'aiguille, s'aligne naturellement avec le champ magnétique terrestre, indiquant ainsi la direction nord-sud. La boussole a joué un rôle fondamental dans l'histoire de la navigation, facilitant les voyages en mer et les explorations terrestres. Même à l'ère des technologies avancées, la boussole conserve son utilité dans de nombreuses situations, en particulier dans des environnements où d'autres systèmes de navigation peuvent être limités.

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