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Champs magnétiques, supraconductivité et imagerie médicale

L’histoire du magnétisme

Les aimants sont très présents dans notre environnement de tous les jours et leur existence est connue depuis des siècles. Les Grecs de l’Antiquité (à l’origine, ceux vivant près de la ville de Magnésie), ainsi que les premiers Chinois, avaient découvert des pierres, étranges et rares, capables d’attirer le fer. Autour de l’an 1000, les Chinois s’étaient même rendu compte qu’une aiguille d’acier pouvait devenir magnétique au contact d’une de ces roches connues sous le nom de « magnétite » (un minéral ferrimagnétique). Par ailleurs, lorsque cette aiguille était suspendue à un fil, elle semblait pointer dans la direction nord/sud : c’est ainsi qu’ils inventèrent la boussole !

La boussole magnétique se répandit ensuite en Europe occidentale et C. Colomb (1451-1506) fut l’un des premiers à s’en servir lors de sa traversée de l’Atlantique en 1492. Il remarqua même que l’aiguille déviait du nord (d’après ce qu’indiquaient les étoiles) pendant le voyage.

ColumbusPlus tard, vers 1600, W. Gilbert (1544-1603), un médecin du règne de la reine d’Angleterre, Élisabeth 1re, publia De Magnete (« Sur l’Aimant »), un ouvrage sur les phénomènes électriques et magnétiques qui devint rapidement une référence incontournable. Par exemple, il a été le premier à faire une nette distinction entre le magnétisme et les propriétés attractives de l’ambre frotté (de nos jours appelée « électricité statique »). De plus, il établit un lien entre la polarité de l’aimant et celle de la Terre, et construisit toute une philosophie magnétique sur cette analogie. D’après W. Gilbert, le magnétisme était l’âme de la Terre. Une pierre de magnétite parfaitement sphérique tournerait autour de son axe une fois alignée avec les pôles de la Terre, tout comme cette dernière tourne autour de son axe en 24 heures... Bien qu’il n’eut pas dit s’il pensait que cette Terre tournante était au centre de l’univers ou en orbite autour du Soleil, il contribua, après N. Copernic (1473-1543), à inspirer d’autres célèbres scientifiques tels que J. Kepler (1571-1630), puis Galilée (1564-1642).

Qu’est-ce que le magnétisme ?

Bien que tout le monde soit au courant des propriétés des aimants, l’origine du magnétisme est en général bien moins connue. Le concept de magnétisme s’appuie sur la notion de « champ magnétique », encore appelé « dipôle ». Le terme « champ magnétique » correspond à un volume d’espace dans lequel se produit une conversion en énergie détectable et mesurable. C’est aux pôles que le champ magnétique pénètre dans un matériau. Par conséquent, un dipôle est un objet dont chaque extrémité est un pôle magnétique agissant dans une direction opposée. Les barreaux aimantés et les aimants en fer à cheval ont par exemple tous les deux un pôle Nord et un pôle Sud. Les lignes de force magnétiques relient un pôle à l’autre, comme le montre le croquis, et on sent bien l’attraction et la répulsion entre deux aimants lorsque l’on joue avec eux.

Si l’on coupe un barreau aimanté en deux, chaque partie reste magnétique. Ce sectionnement, avec la création de dipôles qui lui est associée, est possible jusqu’au niveau atomique, ce qui implique que la source du magnétisme réside dans les propriétés intrinsèques de l’atome lui-même. Étant donné que la matière se compose d’atomes, tous les matériaux sont d’une certaine manière sensibles aux champs magnétiques. Sans entrer dans les détails, le magnétisme trouve sa source dans le champ magnétique créé par le mouvement des électrons au sein des atomes.

Champs électromagnétiques

Les aimants ne sont pas les seuls à l’origine du magnétisme. Comme il a été énoncé auparavant, une circulation de charges électriques (par exemple un courant électrique traversant un câble) fait dévier l’aiguille d’une boussole placée à proximité. C’est l’expérience menée par H. C. Oersted en Maglines1820 qui a prouvé qu’il était possible de produire des champs magnétiques : il s’agit de champs électromagnétiques. H. C. Oersted remarqua également que l’intensité du champ magnétique est proportionnelle au courant électrique circulant dans le câble et que sa direction dépend de celle du courant.

Depuis cette découverte, on s’efforce beaucoup de mettre au point plusieurs modèles permettant de produire des champs magnétiques de plus grande intensité. La figure ci-dessous représente Magcoilune bobine produisant un champ magnétique uniforme en son centre, dont l’intensité est non seulement proportionnelle au courant, mais également au nombre d’enroulements de la bobine.


Pourquoi utiliser des supraconducteurs pour des applications sur des champs magnétiques élevés ?

Les champs électromagnétiques générés par des conducteurs conventionnels sont utilisés presque partout dans notre environnement technologique actuel, notamment dans les moteurs électriques, les transformateurs ou les systèmes de production d’électricité. Grâce à la réduction progressive des couts de refroidissement, le développement de dispositifs économes en énergie intégrant des supraconducteurs est très prometteur.

De nos jours, les supraconducteurs sont utilisés dans plusieurs sortes d’applications ayant recours à des champs magnétiques élevés, telles que l’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) et la spectroscopie par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN). D’autres applications sont en cours de mise au point : générateurs de courant haute fréquence, conducteurs de courant, câbles supraconducteurs de transfert d’énergie, limiteurs de courant de défaut, moteurs, transformateurs, systèmes de stockage énergétique, ainsi que des dispositifs électroniques. Étant donné que les câbles supraconducteurs ont un très bon rendement (ils sont capables de transporter des densités de courant bien plus importantes que les conducteurs normaux), il est possible d’utiliser ce type de matériau pour concevoir des bobines pouvant produire des champs magnétiques très élevés, stables et uniformes. Par ailleurs, des générateurs supraconducteurs deux fois moins volumineux qu’un générateur en fil de cuivre ont un rendement de près de 99 %, alors que celui des conventionnels est d’environ 50 %.

Quatre applications spectaculaires ayant recours à des champs magnétiques supraconducteurs sont illustrées ci-dessous.

Intensité du champ magnétique

Il existe trois types d’aimants différents : les aimants permanents, supraconducteurs et pulsés.

Les aimants en néodyme-fer-bore et en alliage ternaire samarium-cobalt sont à ce jour les aimants permanents les plus forts. Ils peuvent produire des champs magnétiques d’environ 1 tesla – le tesla (T) est l’unité internationale d’induction magnétique : un tesla correspond à 20 000 fois le champ magnétique terrestre.

Les aimants supraconducteurs sont un type d’électroaimant produisant un champ magnétique grâce à la circulation d’un courant électrique à travers un matériau sans résistance. Un aimant supraconducteur peut générer des champs magnétiques d’une intensité supérieure à 20 T.

Enfin, les aimants pulsés peuvent fournir des champs magnétiques encore plus élevés, jusqu’à 72 T, mais leur utilisation n’est encore possible que dans les laboratoires de recherche.

La supraconductivité et ses applications : quelques exemples
  • La lévitation magnétique

    Au Japon, les trains basés sur la technologie du « MagLev », tels que le train Yamanashi, sont à l’étude depuis ces vingt dernières années. Le train se soulève par lévitation au-dessus de la voie grâce à des aimants supraconducteurs, ce qui présente l’avantage d’éliminer toute force de frottement. Ceci permet d’atteindre des vitesses très élevées, jusqu’à 552 km/h (14 avril 1999).
    La ligne d’essai Yamanashi MLX01 au Japon mesure 19 km de long..

  • Imagerie médicale

    L’Imagerie à Résonance Magnétique (IRM) est à ce jour l’application des supraconducteurs la plus réussie. La technique d’imagerie médicale fournit des diagnostics très précis dont la résolution spatiale est élevée (sans aucune intervention chirurgicale sur le patient). Des systèmes à 2 T sont déjà installés partout dans le monde et des progrès sont réalisés : un système d’IRM corps entier opérationnel atteignant 7 T a récemment été mis au point…en savoir plus sur l’intensité d’un champ magnétique.

  • Spectroscopie à haute résolution
    NMR Magnet
    Aimant RMN 900 MHz, 21 T
    Basée sur le même principe que l’IRM, la spectroscopie à Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) est sans doute la technique la plus utilisée dans l’industrie chimique et en biotechnologie pour déterminer en détail la structure de molécules telles que le matériel génétique (l’ADN et l’ARN), ainsi que d’autres molécules complexes permettant de mettre au point de nouveaux médicaments. Avec l’avènement de la biologie moléculaire, la demande en spectromètres de résolution toujours plus élevée ne serait pas satisfaite sans les aimants supraconducteurs.

  • Moteur de bateau
    5MW Rotor
    Bloc rotor de 5 MW avec excitatrice
    (image fournie par American Superconductors)
    The La société American Superconductors met au point des moteurs de bateaux de 5 MW utilisant des supraconducteurs à haute température (à l’essai durant l’été… 2003). Cette technologie présente les avantages suivants : les moteurs sont intrinsèquement plus silencieux ; ils représentent 25 % du volume et 30 % du poids d’un moteur standard ; leurs couts d’exploitation sont plus bas, et leurs prix sont équivalents pour un rendement net plus élevé.





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