Étude des forces d’interaction entre un supraconducteur et un aimant

Réalisation Margaux Khalil (École Estienne), Julien Bobroff et Frédéric Bouquet (Laboratoire de Physique des solides, Université Paris-Sud et CNRS). Toutes les informations et les autres projets sur opentp.fr

Niveau : Moyen

2 jours

Mesure de la force de lévitation et de la force de piégeage s'appliquant à un aimant en lévitation au-dessus d'un supraconducteur

Principe physique

A une température inférieure à la température critique Tc, aucun champ magnétique ne peut pénétrer dans un supraconducteur. Ce phénomène est à l’origine de l’effet Meissner et donc de la lévitation d’un aimant au-dessus d’un supraconducteur.

Dans les supraconducteurs de type II à haute température, un état mixte est observé dans lequel des tubes de champ magnétique, appelés vortex, apparaissent au sein du supraconducteur. La magnétisation effective du supraconducteur s’en trouve diminuée et la hauteur de lévitation également.

Le piégeage de vortex dû à des défauts de structure interne du supraconducteur doit alors être pris en compte.

Deux forces s’appliquant à l’aimant sont donc en jeu :

La force de lévitation qui est une force répulsive due à l’effet Meissner.
La force de piégeage qui est une force attractive et qui stabilise l’aimant au-dessus du supraconducteur.

Pour en savoir plus :

Poulie
règle, rapporteur, équerre
Aimants
Azote liquide
Appareil photo
Scotch
Ciseaux
pastilles supraconductrices à haute température critique (ex: Y Ba2Cu3O7)
tube en plexiglass
colle cyanoacrylate
tige en fibre de verre
scotch basse température
2 paniers en polystyrènes
fil de pêche
Support statif
2 pinces
papier millimétré
boîte de poids

Matériel

Tube en plexiglass: hauteur ~ 45 cm, diamètre intérieure très légèrement supérieure au diamètre de l’aimant afin de guider l’aimant mais en limitant les frottements.

tige en fibre de verre : hauteur ~ 55 cm, diamètre du même ordre de grandeur que celui de l’aimant.
On rajoute un bout de scotch coloré à environ 20cm du bas de la tige pour faciliter les mesures ultérieures.

Azote liquide : à manipuler avec précaution, gants et lunettes recommandés, risque de brûlures en cas de contact prolongé.

Réalisation du 1er montage

coller fermement l’aimant au bout de la tige en fibre de verre à l’aide de colle cyanoacrylate et de scotch à basse température

coller le panier en polystyrène à l’autre bout en utilisant si nécessaire un morceau de carton pour solidifier la structure.

coller une bande de papier millimétré à l’arrière du tube en plexiglass

Le bout de scotch coloré sur la tige en fibre de verre va servir de repère à la mesure de la hauteur. En effet, le bout du tube va certainement givrer et rendre difficile/impossible la mesure directe de la distance aimant-supraconducteur.

Puis assembler le matériel en prenant exemple sur le schéma.

Mesure de la force de lévitation

Refroidir le supraconducteur à l’aide de l’azote liquide jusqu’à que l’ébullition cesse (équilibre thermique atteint)

Peser la tige aux bouts de laquelle sont accrochés l’aimant et le panier

Placer l’appareil sur un trépied fixe en face du tube de guidage et du papier millimétré, et régler la focale afin de s’assurer d’avoir une image nette.

Placer le supraconducteur sous le tube de guidage puis placer la tige avec l’aimant dans le tube délicatement, sans appuyer.

Prendre une photo.

Rajouter progressivement des masses dans la panière au-dessus de la tige jusqu’à ce que l’aimant rentre en contact avec le supraconducteur. Prendre une photo à chaque rajout de masse.

Obtention de la courbe de la force de lévitation en fonction de la distance

Mesurer sur les photos la distance entre le centre de l’aimant et la surface du supraconducteur (sans oublier d’y associer les incertitudes de mesure) pour chaque masse.

Tracer sur le logiciel de votre choix la force de lévitation en fonction de la distance aimant-supraconducteur.

Quelle est la distance caractéristique de lévitation pour le supraconducteur choisi ? Quelle est l’ordre de grandeur de la force associée?

Réalisation du 2ème montage

Modifier le montage précédent en utilisant du fil de pêche et des poulies et en prenant exemple sur le schéma

Remarque: le panier en polystyrène rajouté autour du supraconducteur a pour utilité de limiter localement le gradient de température.

Mesure de la force de piégeage

Peser la tige au bout de laquelle est accroché l’aimant.

Placer l’appareil sur un trépied fixe en face du tube de guidage et du papier millimétré, et régler la focale afin de s’assurer d’avoir une image nette.

Refroidir le supraconducteur à l’azote liquide et sous champs, c’est-à-dire en maintenant l’aimant en contact avec le supraconducteur afin de réaliser un piégeage.

Une fois le supraconducteur refroidi, relâcher l’aimant. Celui-ci ne doit alors pas léviter mais être piéger à la surface du supraconducteur.

Prendre une photo.

Rajouter progressivement des poids dans le panier de l’autre côté de la poulie afin d’arriver à compenser la force de piégeage (l’aimant n’est alors plus rattaché au supraconducteur, le panier tombe). Prendre une photo à chaque rajout de poids.

Observation de l’hystérésis du supraconducteur:
Après décrochage de l’aimant, alléger le panier de quelques poids puis piéger à nouveau l’aimant à la surface du supraconducteur. Prendre une photo. Recommencer les étapes de rajout de poids et de prise de photo jusqu’au nouveau décrochage.

Obtention de la courbe de la force de piégeage en fonction de la distance aimant-supraconducteur

Mesurer sur les photos la distance entre le centre de l’aimant et la surface du supraconducteur (sans oublier d’y associer les incertitudes de mesure) pour chaque masse.

Tracer sur le logiciel de votre choix la force de piégeage en fonction de la distance aimant-supraconducteur.

Quelle est la distance caractéristique associée au piégeage du supraconducteur choisi? Quelle est la l’ordre de grandeur de la force de piégeage associée?
Comment se manifeste l’hystérésis du supraconducteur?