TRAVAUX PERSONNELS ENCADRÉS 2013 TRAIN A SUSTENTATION MAGNÉTIQUE

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1 TRAVAUX PERSONNELS ENCADRÉS 2013 TRAIN A SUSTENTATION MAGNÉTIQUE Lycée Gay-Lussac Limoges BETOULLE Romain ; BARDAUD Jean-Xavier ; VERGNAULT David

2 Sommaire : Introduction I - Deux principes utilisant le magnétisme A) Le magnétisme B) L électromagnétisme C) L électrodynamisme ou la supraconductivité II -Deux principes de fonctionnement, deux trains A) L énergie nécessaire - La propulsion - L arrêt B) Fonctionnement et principe de sustentation Conclusion Expériences Nos références - Les trains à sustentation électromagnétique (Transrapid) - Les trains à sustentation électrodynamique (Maglev) Page 1

3 Introduction Ce TPE (Travaux Personnels Encadrés), traitera des trains à sustentation magnétique et plus précisément de leur fonctionnement. Deux termes clefs apparaissent alors dans le sujet : «trains à sustentation» et «magnétique». Le premier train (nom commun dérivé du verbe «traîner») a été créé par Richard Trevithick et utilisé lors de la première révolution industrielle, au XIX ème siècle, le 21 février 1804 en Angleterre. La locomotive à vapeur va alors évoluer au fil du temps vers le train à traction électrique, toujours utilisée actuellement, puis vers le train à la sustentation magnétique. La sustentation est l état d un corps maintenu à faible distance au-dessus d une surface, sans contact avec elle, par une force verticale dirigée de bas en haut et équilibrant le poids du corps. Le magnétisme est une force définie par un champ dit magnétique; cette force sera alors la base du fonctionnement de ces trains. A travers notre problématique «Comment utiliser la sustentation magnétique dans les transports en communs?», nous poserons les bases du magnétisme, puis nous étudierons deux types de trains à sustentation magnétique en définissant les deux principes qui différencient leur fonctionnement. Page 2

4 I - Deux principes utilisant le magnétisme A) Le magnétisme Un minerai de fer tel que l oxyde magnétique (Fe 3 O 4 ), appelé magnétite, a la propriété d attirer les objets composés de fer. On peut le définir comme un aimant naturel. Il réagit à la loi du ferromagnétisme qui sera définie plus tard. On trouve aussi les aimants permanents qui sont composés de Néodyme-Fer-Bore ou Samarium-Cobalt. Ils ont deux pôles distincts appelés Nord et Sud en référence à l attractivité naturelle de la Terre avec comme plus vieille application la boussole, inventée au X ème siècle avant J-C en Chine. Si l on met face à face deux pôles identiques de ces aimants permanents, (Nord-Nord ou Sud-Sud), ils se repoussent ; à contrario si l on met deux pôles différents face à face, ils s attirent. Par contre si l on approche un élément composé de fer, nous nous apercevons qu il est attiré quel que soit le pôle qu on lui présente. Cette attractivité est présente grâce à ce que l on appelle le champ magnétique. En plaçant une plaque de plexiglas sur un aimant permanent et en disposant de la limaille de fer sur la plaque, nous voyons apparaître des lignes appelées lignes de champ. Ces lignes de champ sont la représentation du champ magnétique qui est invisible en temps normal. On remarque aussi que ces lignes vont d un pôle vers un autre. Le champ magnétique est alors désigné : - par son sens : Nord-Sud ou Sud-Nord - par sa direction : selon son flux magnétique démontré par une aiguille aimantée - par sa valeur : le Tesla noté T. Lignes de champ magnétique d un aimant permanent Limaille de fer déposée sur une plaque de plexiglas Attraction et répulsion d'aimants permanents Page 3

5 On distingue alors trois types de magnétisme avec différentes forces : Le ferromagnétisme : C est le fait de rendre fortement magnétique certains métaux lorsqu ils sont soumis à un champ magnétique (susceptibilité magnétique = 10 5 ). On peut classer les métaux en deux catégories : les matériaux magnétiques doux comme le fer, le cobalt et le nickel qui s aimantent et se désaimantent facilement et les matériaux magnétiques durs qui sont principalement des alliages comme le Néodyme-Fer-Bore ou Samarium-Cobalt. Ils forment les aimants permanents. Le paramagnétisme: C est un phénomène qui considère les atomes comme de petits aimants permanents. Lorsque certains matériaux traversent un champ magnétique comme l aluminium, le sodium, l uranium ou encore le calcium, leurs atomes s alignent en fonction du champ magnétique, c est-à-dire dans la même direction. Ce phénomène reste quand même inférieur au ferromagnétisme (susceptibilité magnétique = 10-3 ). Le diamagnétisme : Presque tous les matériaux sont diamagnétiques. Lorsque ces matériaux sont soumis à un champ magnétique, ils créent un champ magnétique inverse. Ce champ magnétique créé est alors proportionnel à celui initialement donné mais très souvent inférieur aux autres phénomènes magnétiques (susceptibilité magnétique = 10-5 ). Ce phénomène est alors parfait et proémine sur les autres principes lorsque l on parle de supraconductivité (sujet développé par la suite). Page 4

6 B) L électromagnétisme Après la découverte de la pile électrique par Volta, les savants du monde entier se tournent vers l étude de l électricité pour en percer tous ses secrets. Oersted fut le premier scientifique, en 1819, à observer que le courant électrique produit un champ magnétique. En faisant passer un courant électrique dans un fil et en plaçant une boussole à coté, il se rendit compte que la boussole était attirée par le fil électrique et s'orientait dans le sens du courant. On appelle l association du champ électrique et d un champ magnétique la force électromagnétique. L induction magnétique dans l électromagnétisme est telle que : μ0 : la perméabilité au vide = 4π.10-7 I : intensité du courant électrique en ampère (A) d : la distance entre le point considéré et le conducteur B en Tesla ou W/m² sachant que 1 T= gauss L une des premières inventions grâce à l électromagnétisme est le solénoïde, plus couramment appelé «bobine» qui est constituée de spires très proches les unes des autres. Si l on fait une expérience où l on place de la limaille de fer à l intérieur d un solénoïde qui est parcouru par un champ électrique, on peut observer qu elle est attirée par la bobine et forme des lignes de champ magnétique produites par celle-ci. Ce champ est relatif à cette formule : μ0 : la perméabilité au vide = 4π.10-7 N : nombre de spires lg : longueur de la bobine en m I : intensité du courant électrique en ampère (A) B en Tesla ou W/m² sachant que 1 T= gauss Ces lignes de champ sont parallèles entre elles à l intérieur du solénoïde et à l extérieure elles se comportent comme celles autour d un aimant permanent, c est-à-dire qu elles vont d un pôle vers un autre. On peut donc en conclure qu un solénoïde ou bobine réagit comme un aimant permanent lorsqu il est parcouru par un courant électrique. En revanche, il est plus intéressant d utiliser le fait que la variation d un des deux champs, soit ou, induit la variation de l autre champ. Grâce à l électromagnétisme, nous pouvons définir la lévitation électromagnétique. Cette lévitation est due à la superposition de deux bobines qui induisent un champ magnétique inverse. Un espace est alors créé entre les deux électroaimants. La force portante d un électroaimant est relative à cette formule : Page 5

7 F : force portante en (N) B : induction en teslas (T) S : surface de contact entre le circuit magnétique et l'objet attiré Ce principe a un avantage conséquent par rapport au fait que l on peut faire varier l intensité du courant électrique qui circule dans la bobine, donc faire varier la lévitation qui se créer entre elle. Elle a tout de même un inconvénient : le champ magnétique est un champ instable car il n est pas uniforme. Il est donc intéressant de trouver un moyen de créer un phénomène de lévitation stable. Page 6

8 C) L électrodynamisme ou la supraconductivité La supraconductivité est un phénomène de lévitation électrodynamique. Elle possède deux propriétés fondamentales : l absence de résistance électrique et un diamagnétisme parfait. Elle a été découverte en 1933 par Meissner et Ochsenfeld qui découvrent que les supraconducteurs repoussent les champs magnétiques. Grâce aux travaux de liquéfaction de l hélium par Kamerlingh Onnes en 1911, ils ont réalisé l expérience dite "l effet Meissner". L effet Meissner : Pour observer ce phénomène, il faut un supraconducteur, un aimant et un moyen de refroidir le supraconducteur à une certaine température pour qu il acquière ses propriétés (souvent de l azote liquide). Cette température est appelée température critique. Elle varie selon les matériaux mais est tout de même très basse et proche du zéro absolu pour la plupart des supraconducteurs. De nos jours, les chercheurs travaillent beaucoup sur la supraconductivité pour essayer de découvrir de nouveaux matériaux qui deviennent supraconducteurs à des températures toujours plus hautes. Ainsi il en existe plusieurs types : - Ceux de type 1 : Ce sont les premiers que l on a découverts. Ces supraconducteurs acquièrent leurs propriétés seulement si le matériau est soumis à un champ magnétique plus faible que celui critique (B c ). Or la valeur de ce champ critique dépend de la température. Ainsi le matériau ne peut se trouver que dans deux états différents : normal ou supraconducteur. Bc=Champ magnétique critique Tc=Température critique Page 7

9 - Ceux de type 2 : En 1962, une deuxième espèce fut découverte. Elle possède deux champs critiques et ainsi peut se trouver dans trois états : normal, mixte et supraconducteur. En dessous de son premier champ critique (B c1 ), le matériau sera supraconducteur. Entre ses deux champs critiques, le diamagnétisme ne sera pas parfait et l écrantage (atténuation du champ électrique) sera partiel : c est l état mixte. Au-dessus de son deuxième champ critique l objet sera normal. Bc=Champ magnétique critique Tc=Température critique Page 8

10 II -Deux principes de fonctionnement, deux trains A) L énergie nécessaire - La propulsion Les trains à sustentation magnétique n ont pas de moteur comme on pourrait le croire. En effet, ces trains se propulsent grâce aux champs magnétiques produits autour des rails ainsi qu autour du train, dans lesquels on introduit du courant électrique dans des électroaimants. Comme le montre le schéma ci-dessous, le train et les rails sont composés de plusieurs électroaimants (donc plusieurs pôles Nord et Sud). Rappelons que deux électroaimants face à face, ayant une polarité identique, Nord/Nord ou Sud/Sud, se repoussent, alors que deux pôles opposés, Nord/Sud ou Sud/Nord, s'attirent Si un pôle Sud du train est face à un pôle Sud du rail, ils se repoussent l'un de l'autre, un mouvement est donc produit. Ce mouvement amène ce pôle Sud du train vers le pôle suivant du rail, qui sera donc un pôle Nord. Ainsi ils seront attirés l'un vers l'autre, créant là aussi un mouvement. Ces phénomènes d'attraction et de répulsion vont se répéter tant que du courant électrique sera envoyé dans les bobines, permettant ainsi le déplacement du train. Plus l intensité dans les bobines sera forte, plus la vitesse du train sera élevée. Ces phénomènes permettent donc une accélération bien plus importante que les trains n utilisant pas la lévitation magnétique. Le Transrapid accélère de 0 à 300 km/h sur une distance de 5 km alors que les trains à grande vitesse classiques ont besoin de 20 km pour atteindre la même vitesse. Des antennes sont positionnées sur le dessus du train, à l avant et à l arrière. Celles-ci servent à localiser la position du train, ainsi seulement la portion du rail où le train circule est alimentée en électricité et donc produit un champ magnétique temporaire. Cela évite des dépenses en électricité inutiles. Ces antennes ont également une utilité pour le maintien du train au centre de la voie, en ligne droite ou bien dans les courbes. Page 9

11 - L arrêt L arrêt du train peut se faire avec le même principe que le freinage des avions : des surfaces généralement en métal, ayant des formes non aérodynamiques, se déplient pour opposer une résistance grâce aux frottements avec l air, ralentissant ainsi le véhicule. Un autre système de freinage, utilisé uniquement par le Maglev est le système de freins à disques (comme sur les voitures) : dans ce cas, lors du freinage, des plaquettes viennent frotter de chaque côté du disque fixé au centre de la roue. Page 10

12 B) Fonctionnement et principe de sustentation Le système permettant la propulsion et le système de lévitation ne sont pas les mêmes. Ils sont séparés et n ont aucun lien ni contact direct. Deux principes de sustentation magnétique existent dans le cas des trains : la sustentation par électromagnétisme (utilisant l attraction magnétique et des rails en forme de T), et la sustentation par électrodynamisme (utilisant la répulsion magnétique et des rails en forme de U). rails en forme de T rails en forme de U - Les trains à sustentation électromagnétique (Transrapid) Le train et les rails contiennent des bobines (électroaimants) dans lesquelles on fait passer du courant électrique. Ainsi la force de répulsion produite permet de compenser le poids du train. La gravité attirant le train vers le sol, et la force de répulsion issue des électroaimants du train et des rails repoussant le train vers le haut, la somme des vecteurs force est égale au vecteur nul, donc le train lévite. Mais cette lévitation n est pas un système stable. Comme nous l'avons vu précédemment, des antennes sont fixées sur le train, afin de suivre son déplacement : - Si le train se situe sur une ligne droite, la somme de la force d attraction des électroaimants, placés sur les côtés du train et des rails, à gauche et à droite est identique ce qui permet au train de rester centré, car la somme des vecteurs force gauche et droite est égale au vecteur nul. - Dans le cas d'une courbe, pour éviter la force centrifuge subie, il suffira d introduire plus de courant du côté gauche si le virage est à droite (ou côté droit si le virage est à gauche). Ainsi, la somme de la force d attraction des électroaimants gauche et droite et de la force centrifuge est égale au vecteur nul ; là aussi; le train sera toujours centré sur ses rails quel que soit le degré des virages. Cette gestion du courant réalisée par ordinateur. Page 11

13 - Les trains à sustentation électrodynamique (Maglev) Le système utilise les propriétés de la supraconductivité. Le train et les rails ne contiennent pas la même sorte d aimant. Le train contient l électroaimant supraconducteur sur toute sa longueur, et les rails contiennent des électroaimants. Pour que les effets supraconducteurs se produisent (lévitation, résistance électrique nulle), l électroaimant supraconducteur doit donc être refroidi à une très basse température. Pour cela on utilise des bonbonnes d azote liquide à 77,36 K (-195,79 C), permettant à l effet Meissner d'avoir lieu. Le train a donc un poids très élevé. Mais quel que soit son poids, il sera dans tous les cas compensé par la lévitation due à l effet Meissner. Le supraconducteur étant un électroaimant, il faut introduire du courant dans celui-ci, qui produira ensuite un champ électrique. Grâce à la résistance électrique nulle, il suffit d introduire le courant nécessaire dans la bobine supraconductrice seulement une seule fois. Aucune perte électrique n a lieu tant que l effet Meissner est produit. Le courant électrique sera donc conservé en continu. Il n est pas nécessaire d en introduire à nouveau. Cet effet n a lieu que dans le train. Les rails, eux, doivent être alimentés en continu, comme le cas du Transrapid. Cette résistance électrique joue un rôle important au niveau économique car il n y a pas de perte électrique. Mais cette résistance électrique ne permet pas au train de léviter! C est grâce au second effet du phénomène de Meissner que le train peut léviter entre ses rails. Le train étant attiré vers le bas par la force de gravité (poids), le champ produit par le supraconducteur est contraire au champ des rails, les deux vecteurs force s annulent et on obtient le vecteur nul (soumis à aucune force = lévitation). Mais l effet Meissner ne peut pas avoir lieu si le train a une vitesse inférieure à 100 km/h, c est donc pour cela que des roues sont installées pour guider le train pendant qu il est propulsé par le biais des électroaimants latéraux. Au-dessus de 100km/h, le train lévite. On peut alors aussi dire que le train à sustentation électrodynamique a une sécurité plus accrue que les trains à sustentation électromagnétique. Si un problème au niveau des champs électriques survient, le train peut rouler, dans tous les cas. Bien que cette lévitation soit stable et que le train ne devrait pas dévier du champ ou le vecteur force est nul, des électroaimants sont tout de même positionnés sur les côtés des rails et du train, pour que le train reste au centre des rails, pour encore plus de sécurité. La force centrifuge ici est négligeable, le train ne devant pas dévier du champ (comme montré par les expériences, l aimant est quasiment impossible à sortir du champ, quelle que soit la force induite) Illustration du Maglev Page 12

14 Conclusion Oersted découvrit en 1819 qu un courant électrique produit un champ magnétique. C est grâce à cette découverte que le Transrapid peut aujourd hui léviter sur ses rails. En 1933, Meissner découvrit les effets des supraconducteurs à leur température critique. C est grâce à cet effet Meissner que le Maglev peut lui aussi léviter aujourd hui sur ses rails. Nous avons ainsi vu, dans les chapitres précédents, que deux types de sustentation magnétique sont utilisés pour ces deux trains : les trains à sustentation par électromagnétisme qui n utilisent que des électroaimants et aucun supraconducteur, et des trains à sustentation par électrodynamisme, utilisant des électroaimants et des supraconducteurs (ainsi que des roues, principalement utilisées pour la propulsion). Les trains à sustentation magnétique ne seraient pas utilisés s ils n avaient pas certains avantages : Pas de consommation de carburant ou polluants. Les champs magnétiques jouent indirectement le rôle de ceux-ci Vitesse de pointe plus élevée Meilleures accélérations et relances Risque presque nul de déraillement Pas de conducteur dans le Maglev et seulement très peu dans le Transrapid Trains silencieux puisqu aucun contact avec les rails. Seul le bruit des frottements avec l air se fait très légèrement entendre, faisant le plus grand bonheur des passagers Non usure des rails car pas de frottement, donc aucune secousse possible Malgré tout, ces deux trains ont certaines limites : Coûts de construction des structures très élevés Pour le Maglev, l électroaimant supraconducteur du train doit être refroidit constamment avec de l azote liquide dont le coût est très élevé à cause de la quantité nécessaire Les rails traditionnels existants ne peuvent pas être repris par ces trains. La construction entière de rails spécifiques est donc obligatoire, causant une destruction importante du paysage Le système est sensible aux forces extérieures (vent, force centrifuge, etc..). Des rayons de courbe très larges sont donc nécessaires Masse du train très élevée à cause des électroaimants Système mal adapté pour les transports lourds. Ces trains sont privilégiés pour des passagers et non des marchandises Aujourd hui les caractéristiques de la supraconductivité deviennent de plus en plus étudiées. On recherche des matériaux supraconducteurs à température ambiante, qui marqueraient probablement une très grande avancée technologique dans le monde. De nombreuses applications sont donc imaginées, et d autres déjà utilisées : La supraconductivité est utilisée pour les IRM (images à résonances magnétiques). Les ordinateurs et la plupart des objets ayant un processeur pourront être beaucoup plus rapides. Des bijoux ou d'autres objets sans contact avec la peau sont imaginés : bagues, colliers, bracelets, chaussures, sac à dos (le poids ne se ferait donc pas ressentir), genouillères, et bien d'autres, qui verront le jour d'ici quelques années. Page 13

15 Expériences Expérience sur le champ magnétique : Nous voyons sur ces deux photos des aimants permanents déposés sur des plaques contenant des "aiguilles" de limaille de fer, agissant comme celles d'une boussole. L'aimant permanent produisant un champ magnétique, les "aiguilles" représentent les lignes de ce champ. Elles sont orientées en ligne droite au bout du pôle Nord et Sud, et en forme de courbe sur les côtés de l'aimant. Expérience sur le champ électrique : Page 14

16 Ces photos ont été réalisées lors d'une expérience ayant pour but de mettre en valeur le champ électrique produit par un solénoïde alimenté en courant électrique (bobine de cuivre au milieu de la photo). De la poudre de limaille de fer a été déposée autour du solénoïde, sur une plaque de plexiglas. Nous voyons alors clairement les lignes de champ apparaître : la poudre réagit, et schématise les lignes de champ. On voit que celle-ci s'organise en plusieurs lignes parallèles dans le solénoïde, et en courbe autour de lui. Expérience sur la supraconductivité : Expérience sur les aimants permanents : Page 15

17 Nos références Magnétisme : Électromagnétisme : Supraconductivité : Les trains : presentation-et-fonctionnement-3235.htm Page 16

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