1) Expérience

     Notre objectif a été de concevoir une expérience permettant d’illustrer et de mieux comprendre le principe du Maglev. Après une description des matériaux et une comparaison avec le Maglev, nous expliquerons les phénomènes physiques observés pendant l’expérience. A la différence du Maglev le champ magnétique sera créé par les aimants et la seule énergie à fournir concerne le refroidissement du matériau supraconducteur. 

     Pour notre expérience, la voie ne sera pas en forme de « U » et les électroaimants seront remplacés par des aimants au néodyme de taille: 10*10*2mn capables de porter jusqu'à 1 kilogramme. Nous avons choisi d’établir un circuit fermé disposé sur un support de 1* 1 m en tôle de fer doux.

Figure 17 : Schéma de la piste

La forte attraction des aimants sur la tôle n’autorise aucune erreur dans l’ajustement. L’orientation des aimants est cruciale et il faut donc constamment vérifier (à l’aide d’autres aimants) que celle-ci est correcte.

    Nous aurions pu essayer une première solution qui n’utilise qu’un seul aimant sur la largeur des rails (avec le pôle nord au-dessus et le pôle sud en dessous, ou inversement). On voit, en connaissant la forme générale du champ crée par un aimant, que le champ va être maximal à proximité de l’aimant et décroître si on s’en éloigne. Ceci se lit sur le schéma de droite à l’aide des lignes équi-Ha. Ainsi le train aura des difficultés à rester en équilibre.

Figure 18: Schéma des lignes de champs avec un seul aimant

Mais une meilleure solution consiste à utiliser trois aimants sur une largeur de rail et à choisir des orientations différentes pour deux aimants côte à côte :

Figure 19: Schéma des lignes de champs avec trois aimants

On voit à droite de la figure que les lignes de champ magnétique expulsées sont moins nombreuses au centre des rails. On a donc une position d’équilibre stable. Cette composition des rails a donc de forte chance de proposer une bonne stabilité.

C’est pourquoi, nous avons choisi de mettre trois rangées d’aimants, pour l’expérience.

Figure 20 : Piste réalisée avec trois aimants

        Pour notre expérience nous n’utilisons pas de bobines supraconductrices, mais deux pastilles supraconductrices de diamètre 10 mn et d’épaisseur 4 mn. Le matériau supraconducteur que nous choisissons est un alliage d’oxydes mixtes de baryum de cuivre et d'yttrium (Y Ba₂Cu₃O₇). L’YBCO est une céramique qui fut l’un des premiers matériaux à être supraconducteur non-conventionnel. Sa température critique se situe à 92 K. Par rapport aux bobines supraconductrices du Maglev refroidies avec de l’hélium à 4 K, l’YBCO a l’avantage de pouvoir être refroidi avec de l’azote (N₂) liquide, dont la température d’ébullition (77K) est bien supérieure à celle de l’hélium. Cette température est donc plus facile à obtenir et l’azote liquide coûte environ cinquante fois moins cher que l’hélium.

Figure 21 :a) schéma récapitulatif des températures en degrés K et °C b) Bonbonne d’azote

La manipulation de l’azote liquide demande des précautions particulières car elle présente des risques de brûlure et d’anoxie (diminution de la quantité de dioxygène). C’est pourquoi le lieu de réalisation de l’expérience sera suffisamment ventilé et nous porterons un matériel adapté.  

Figure 22 : matériel de protection individuel

      Pour la réalisation de la locomotive, nous prenons en compte la capacité d’isolant thermique du matériau caractérisée par sa conductivité thermique et sa légèreté. On voit que la gamme de matériaux répondant à nos attentes est restreinte. À titre d’exemple, voici les propriétés de quelques matériaux :

                        Tableau 3 : propriété thermique et masse volumique de quelques matériaux

La locomotive doit comporter un réservoir rempli d’azote liquide au fond duquel sont disposées les deux pastilles supraconductrices.

Nous avons confectionné une première locomotive, constituée d’abord de polystyrène découpé avec un cutter. Cependant, nous avons eu beaucoup de mal à réaliser l’étanchéité entre les pastilles et le réservoir d’azote. Les fuites occasionnées par les trous destinés à recevoir les pastilles supra conductrices ne permettent pas de conserver une réserve d’azote suffisante pour refroidir correctement les pastilles.

Figure 23: premier prototype en polystyrène avec la position des pastilles supraconductrice

Puis nous avons réalisé une locomotive en ABS (acrylonitrile butadiène styrène) avec une machine de prototypage rapide (appelée aussi imprimante 3D).

Figure 24 : a) machine de fabrication 3D et b) deuxième prototype en ABS

Ainsi les emplacements destinés à recevoir les supraconducteurs sont parfaitement ajustés. De plus comme le montre le tableau n° 3 précédent, le matériau ABS a une faible conductivité thermique et une faible densité. Il est donc approprié pour conserver l’azote liquide.

Après avoir refroidi le train et attendu que l’YBCO devienne supraconducteur, nous l’avons posé sur le monorail. Ainsi il a expulsé le flux magnétique des aimants et était en lévitation grâce à l’effet Meissner ou diamagnétisme parfait. En donnant une impulsion au train, on obtient un déplacement sans aucun contact avec le rail.

Figure 25 : Le train qui lévite