TPE : Le Train à Sustentation Magnétique
A/ Définition
Le principe de lévitation est le fait de mettre en équilibre à une distance relativement proche d’une surface un corps grâce à une force sustentatrice compensant la pesanteur.
On considère deux types de lévitation différentes qui pourtant sont basées sur le même phénomène : les propriétés attractives ou répulsives d’un matériau.
Comme vu précédemment, on sait que deux aimants se repoussent et s’attirent selon le positionnement des pôles des aimants : un pôle Sud est attiré par le pôle Nord et inversement. En revanche deux pôles Nord ou deux pôles Sud se repoussent.
Comme dit précédemment, il existe deux principes fondamentaux pour faire léviter les trains à sustentation magnétique : l'utilisation de la sustentation électromagnétique ou la sustentation électrodynamique. Nous allons désormais, étudier ces deux principes.
B/ Principe l'électomagnétisme
Pour permettre au Transrapid de léviter au-dessus du rail, l'utilisation d'électroaimants est nécessaire. En effet seize électroaimants sont placés dans chaque wagon, juste sous les bras du rail. Le champ magnétique qu'ils créent entre en interaction avec le champ magnétique des aimants disposés sur le rail, créant ainsi une force d'attraction entre le rail et la partie inférieure du train. La répulsion magnétique est un phénomène peu stable. De ce fait, des électroaimants sont aussi disposés sur les côtés du rail du guidage, de façon à ce que le train reste au centre. La somme vectorielle des forces gauche et droite est bien égale au vecteur nul. Le schéma ci-dessous le montre parfaitement.
Un électroaimant est composé d'un circuit électrique et d'un circuit dit magnétique. Le circuit électrique est un enroulement de fils conducteurs et agit exactement comme une bobine. Parcouru par un courant, l'électroaimant va créer un champ magnétique similaire à celui des aimants droits.
Les électroaimants sont souvent composés d'un noyau ferromagnétique qui a pour particularité de guider et multiplier par dix, voir par cent, le champ magnétique créé par l'électroaimant, qui est parcouru par un courant électrique. Ce champ magnétique créé par des électroaimants a une valeur donnée par la relation suivante :
-k correspond à la perméabilité du noyau ferromagnétique soit k est une constante.
-µ0 est la perméabilité du vide (ou de l'air). Autrement dit, µ0 correspond à la constante magnétique avec =
- n est le nombre de spires par unité de longueur. Si le solénoïde comporte N spires réparties sur une longueur L (en m) alors n=N/L (l'unité est la suivante : spires/m)
- I correspondant à l'intensité du courant en A
Nous pouvons définir la lévitation électromagnétique. En effet, 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 donnée par la formule suivante :
F : force portante en (N)
B : Champ magnétique de l'électroaimant en tesla (T)
S : surface d’un disque formé par une spire (en m²)
Le train est soumis à son poids et à la force portante (2 forces sont de sens opposées)
F doit donc compenser le poids total du train (soit le poids du train plus celui de ses électroaimants). On a donc P = mg avec m qui équivaut à la masse total.
Avec le poids du train, on peut déterminer la taille des solénoïdes, l’intensité du courant appliqué afin que la force portante compense le poids total du train.
Un ordinateur calcule en temps réel l'intensité nécessaire aux bobines en fonction de l'écart existant entre le rail et le train qui peut varier.
C/ Principe
l'électro-dynamisme
Le train à sustentation électromagnétique équivaut au train à sustentation électrodynamique, à l’exception où les électroaimants sont remplacé par des supraconducteurs.
Les supraconducteurs sont des matériaux qui utilisent le phénomène de la supraconductivité, c'est-à-dire l'absence de résistance électrique, en-dessous d'une certaine température critique Tc.
La supraconductivité est un phénomène de lévitation électrodynamique. Elle possède deux propriétés fondamentales : l´absence de résistance électrique et un diamagnétisme parfait.
1. Champs magnétiques au niveau d'un supraconducteur
En présence d’un champ magnétique externe, la plupart des matériaux naturels créent un champ qui s’oppose au champ externe : c'est ce que l'on appelle le diamagnétisme ; lorsqu'un matériau, quel qu’il soit, est soumis à un champ magnétique, un champ magnétique inverse est alors créé par ce matériau. Ce champ magnétique résultant est proportionnel, mais toutefois très inférieur au champ magnétique appliqué. De ce fait, à température ambiante, cet effet est très faible et n’est souvent pas perceptible à l’œil nu.
Un supraconducteur devient un véritable diamagnétique, en-dessous de sa valeur critique Tc : il repousse le champ magnétique externe. Cette propriété des supraconducteurs découle de l'effet Meissner.
2. L'effet Meissner
a) Le principe de l'effet Meissner
L'effet Meissner a été découvert par Walter Meissner en 1933, d'où son nom. Une fois supraconducteur, un matériau laisse passer le courant indéfiniment. Le courant circule de façon continue en boucle, ce qui va créer des courants de surface qui sont des ondes magnétiques qui vont expulser le champ magnétique subi par le supraconducteur. Ce champ magnétique sort du matériau sous forme d’ondes magnétiques.
Ce schéma illustre parfaitement ce qui se passe lorsqu'un supraconducteur est placé dans un champ magnétique, à deux niveaux de température différents.
Dans le premier cas, nous pouvons voir que le champ magnétique n'est pas dévié et que ce dernier passe à travers le matériau supraconducteur lorsque la température est supérieure à la température critique Tc.
Dans le second cas, où la température passe en-dessous de la température critique Tc, le matériau supraconducteur repousse le champ magnétique hors de lui, en créant des courants de surface qui produisent un champ magnétique venant « contrer » le champ extérieur.
b) La lévitation grâce à l'effet Meissner
Cette animation permet de montrer l'effet Meissner. En effet, à température ambiante, si l'on pose l'aimant sur une pastille supraconductrice, aucune interaction se crée entre les deux. En revanche, si l'on refroidit cette pastille supraconductrice à sa température critique soit -273,25°C, nous pouvons voir que l'aimant se met à léviter.
3. Application au train
Après avoir analysé les propriétés d'un supraconducteur, nous allons pouvoir appliquer ce principe au train. Comme déjà dit, le train à sustentation électrodynamique, autrement dit, le Maglev, fonctionne sur le même principe que les trains à sustentation électromagnétique, à l’exception des électroaimants classiques qui sont remplacés par des supraconducteurs refroidis à l'hélium liquide. Une autre solution que celle proposée dans le cas de la sustentation électromagnétique a donc été d'utiliser des bobines supraconductrices qui, lorsqu'elles sont parcourues par un courant, n'opposent aucune résistance à celui-ci. Des aimants sont disposés sur les rails, des aimants de pôle Nord sur l'extérieur et de pôle Sud à l'intérieur pour empêcher tout déraillement et pour garantir le maintien du train sur la voie.
