Nos Rappels | train-a-sustentation

A/ Le Train,

une Histoire

La Première circulation sur rails d’une locomotive à vapeur a eu lieu le 21 février 1804, au Pays de Galles, (près de Merthyr Tydfil). Cette locomotive avait été construite par Richard Trevithick, en Angleterre.

La généralisation du système ferroviaire a été permise par la mise au point de la machine à vapeur, mais de nombreux systèmes alternatifs ont été utilisés au début, pour faire face au manque de puissance de celle-ci, ou pour s'adapter à des situations particulières, notamment la traction par chevaux, ou par câble, ainsi que l'utilisation de la simple gravité quand la pente le permettait. Ces méthodes à la fois lentes et hasardeuses ont rapidement pris fin avec la généralisation de la traction par locomotive et les progrès rapides de ces machines.

À partir de 1900 environ, l'apparition de moteurs électriques puissants et suffisamment compacts a permis l'apparition de la traction électrique, toujours utilisée à l'heure actuelle. Ce mode de traction nécessite cependant que la ligne sur laquelle le train circule soit équipée, soit d'un caténaire, soit d'un troisième rail, alimenté en électricité.

L'entre-deux-guerres verra l'apparition de locotracteurs diesel puis progressivement de locomotives diesel dans l'après-guerre. Les années 1950 sont la charnière entre disparition de la traction à vapeur et développement des moteurs thermiques. C'est également à cette époque que l'on observe l'apparition de locomotives capables de fonctionner sous une tension alternative.

En 1971, le TGV est créé, ce qui provoqua une véritable avancée dans le monde ferroviaire jusqu’au train à sustentation magnétique de nos jours. Le TGV fonctionne, le plus souvent, à l’électricité ou à turbine à gaz. Il est actuellement le moyen de transport terrestre le plus rapide, avec une vitesse de pointe d’environ 420 km/h (le record du TGV est de 574,8 km/h) avec une version préparée.

Actuellement, seul le train à sustentation magnétique est plus rapide que le TGV et est donc le moyen de transport le plus rapide du monde mais, étant très peu répandu et toujours en test, ce titre appartient toujours au TGV. Le projet du train à sustentation magnétique est né en 1962 au japon (avec le projet maglev) mais il aura fallu attendre 53 ans de développement et de test avant qu’il établisse alors en 2015 le record de vitesse de 603 km/h, qui est une première dans l’histoire du monde ferroviaire et du transport terrestre.

Le train à sustentation magnétique, plus couramment appelé train magnétique, est un train qui utilise la force magnétique pour se déplacer, pour cela il utilise la sustentation magnétique (d’où son nom), il n’est donc pas en contact direct avec le sol. Ainsi, le but de mettre en lévitation un train, est de supprimer le frottement du train au sol dû à la résistance de roulement donc pour augmenter la vitesse, réduire le temps de trajet et faire des économies. Ce type de train est probablement le train de demain car il a la bonne particularité de ne pas polluer, ce qui est un véritable atout pour notre planète et environnement car celui-ci se propulse grâce à l’utilisation de champ magnétique. Le train à sustentation magnétique utilise deux types de propulsion magnétique : l’électromagnétisme et l’électro-dynamisme. Nous verrons cela plus tard.

Locomotive à Vapeur de Trevithick de 1804

Locomotive à Vapeur des années 1880

Locomotive à Vapeur des années 1930

Locomotive diesel

Locomotive électrique des années 1990

TGV

Train à sustentation magnétique

(Maglev)

B/ Les grandes notions du Magnétisme

1. Notion de champ magnétique :

Mise en évidence expérimentale :

On place des aiguilles aimantées à proximité d'un aimant droit.

Aiguille aimantée Aimant droit avec aiguilles aimentées

Après une très courte période d'oscillation, nous pouvons observer que chacune des aiguilles prend une direction et un sens privilégié. Elles mettent donc en évidence la présence d'un champ magnétique créé par l'aimant.

Ce champ magnétique peut être modélisé par une grandeur vectorielle, notée B. Par conséquent, le champ magnétique B a les caractéristiques suivantes qui lui sont propres telles que :

- sa direction qui est ni plus ni moins l'axe de l'aiguille aimantée
- son sens : du pôle sud vers le pôle nord de l'aiguille
- sa valeur : B

La valeur B du champ magnétique B s'exprime en tesla (symbole T).

Nous pouvons dès lors faire une remarque qui est la suivante : en l'absence d'aimant, une aiguille aimantée s'oriente toujours en un lieu donné, dans la même direction et le même sens par rapport à la Terre. Une étude plus complète montrerait qu'elle s'oriente dans la direction du plan méridien du lieu où elle est placée, vers le pôle nord magnétique de la Terre. L'aiguille met en évidence, dans ce cas, l'existence d'un champ magnétique terrestre Bo. Dans l'expérince précédente, si B désigne le champ magnétique créé par l'aimant en un point, une aiguille est soumise au champ magnétique Btotal=B+Bo . Le champ résultant total s'obtient en effet en faisant une somme vectorielle. Le champ magnétique B créé par l'aimant est largement pondérant par rapport à Bo d'où B≈Ba.

De plus, la valeur du champ magnétique en point quelconque de l'espace est déterminé par un appareil dénonmé "teslamètre" qui est équipé d'un capteur particulier appelé "sonde de Hall".

Quelques ordres de grandeur :

2. Différentes sources de champ magnétique :

a) Les aimants sont sources permanentes de champ magnétique. Ils sont constitués d'alliages à base de fer, ou de certains oxyde de fer, de cobalt ou de nickel... Nous pouvons observer ci-dessous quelques images d'aimants permanents.

b) Les courants électriques sont aussi source de champ magnétique. En effet, nous pouvons le constater en réalisant l'expérience d'Oersted. Cette dernière consiste à placer une aiguille aimantée au voisinage d'un conducteur rectiligne. Lorsque le courant continu de forte intensité (de l'ordre de 10A) passe dans le conducteur, l'aiguille tend à s'orienter perpendiculairement au conducteur. Si l'on inverse le sens du courant, l'aiguille change instantanément de sens.

Par conséquent, un conducteur parcouru par un courant électrique crée un champ magnétique en son voisinage. Le sens de ce champ magnétique créé dépend du sens du courant.

Pour conclure cette partie, nous pouvons dire que l'existence d'un champ magnétique dans l'espace suppose la présence d'aimants ou de courants électriques.

3. On peut obtenir une représentation visuelle de la configuration d'un champ magnétique autour d'une source de champ étudiant les lignes de champ :

a) Schéma de l'expérience :

b) Après avoir réalisé cette expérience , nous avons pu constater que les grains de limailles de fer s'aimantent et s'orientent dans la direction du champ magnétique qu'ils subissent, et ébauchent de proche en proche l'allure de courbes appelées lignes de champ magnétique. Nous avons ainsi réalisé un spectre magnétique. Cette expérience peut aussi être réalisée avec un aimant droit ou un conducteur rectiligne parcouru par un courant.

c) Les lignes de champ ont les propriétés suivantes :

- en chaque point, il ne passe qu'une ligne de champ.

- en un point donné, le vecteur champ magnétique B est tangent à la ligne de champ.

- on oriente les lignes de champ dans le sens du champ magnétique.

- elles se referment à l'intérieur de la source de champ magnétique; une ligne de champ ne rebrousse jamais chemin.

- elles se resserrent dans les régions de champ intense : des mesures effectuées à l'aide d'un teslamètre montrent en effet que les lignes de champ sont d'autant plus resserrées que la valeur du champ magnétique est plus grande dans la région considérée.

- elles sont parallèles entre elles dans les régions de champ uniforme.

4. Exemples de spectres magnétiques :

Aimant en U

Aimant droit

a) Photo de l'expérience montrant

les lignes de champ dans un plan :

On observe que :

- les lignes de champ émergent de l'aimant à l'une de ses extrémités, le contournent et y convergent à son extrémité opposée.

- les extrémités de l'aimant, où les lignes de champ se concentrent (donc où le champ magnétique est intense) sont appelées régions polaires ou plus couramment pôles. Un pôle nord est une région d'où émergent les lignes de champ ; un pôle sud est une région vers laquelle elles convergent.

Solénoïde (parcouru par un courant)

Nous pouvons noter qu'une petite aiguille aimantée utilisée comme détecteur de champ magnétique est elle-même un aimant. Le champ magnétique qu'elle crée dans l'espace est suffisamment faible pour ne pas perturber les sources de champ magnétique qu'elle subit.

Entre les branches de cet aimant en U, les lignes de champ sont quasiment parallèles, on en déduit donc que le champ magnétique est quasiment uniforme à l'intérieur (soit entre les branches) de l'aimant en U.

Les lignes de champ se referment également sur elles-mêmes en embrassant les spires de la bobine. A l'intérieur de cette dernière, les lignes de champ sont parallèles entre elles : le champ magnétique est par conséquent uniforme à l'intérieur.