TRAVAUX PERSONNELS ENCADRÉS 2013 TRAIN A

TRAVAUX PERSONNELS ENCADRÉS
2013
TRAIN A SUSTENTATION
MAGNÉTIQUE
Lycée Gay-Lussac 87000 Limoges
BETOULLE Romain ; BARDAUD Jean-Xavier ; VERGNAULT David
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
- Les trains à sustentation électromagnétique (Transrapid)
- Les trains à sustentation électrodynamique (Maglev)
Conclusion
Expériences
Nos références
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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 XIXème 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.
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I - Deux principes utilisant le magnétisme
A) Le magnétisme
Un minerai de fer tel que l´oxyde magnétique (Fe3O4), 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 Xème 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
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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 = 105). 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).
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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
électromagnétique.
L´induction magnétique dans l´électromagnétisme est telle que :




la force
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=10 000 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=10 000 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 :
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


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.
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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 (Bc). 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
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- 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 (Bc1), 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
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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.
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- 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.
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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.
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- 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
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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.
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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 :
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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 :
http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=S2Bpp0jK3Cw
Expérience sur les aimants permanents :
http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=gw7FmIoW2Sk
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Nos références
Magnétisme :
http://fr.wikipedia.org/wiki/Magnétisme
http://f5zv.pagesperso-orange.fr/RADIO/RM/RM23/RM23B/RM23B12.html
http://technobern.karola-altona.com/technorama/magnet/aimant.htm
http://fr.wikipedia.org/wiki/Champ_Magnétique
http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/matiere-1/d/champ-magnetique_3878/
Électromagnétisme :
http://f5zv.pagesperso-orange.fr/RADIO/RM/RM23/RM23B/RM23B10.html
http://f5zv.pagesperso-orange.fr/RADIO/RM/RM23/RM23B/RM23B11.html
http://fr.wikipedia.org/wiki/électroaimant
http://fr.wikipedia.org/wiki/électromagnétisme
http://www.cerimes.fr/e_doc/forces/electromagnetique.htm
Supraconductivité :
http://www.supraconductivite.fr/
http://fr.wikipedia.org/wiki/Supraconductivité
http://levitation-magnetique.com/levitationElectrodynamique.html
http://levitation-magnetique.e-monsite.com/pages/lexique/
http://superconductors.free.fr/types_supraconducteurs.php
http://www.futura-sciences.com/fr/doc/t/physique/d/la-supraconductivite_103/c3/221/p2/
Les trains :
http://fr.wikipedia.org/wiki/Train_%C3%A0_sustentation_magnétique
http://newgentransp.e-monsite.com/pages/transports-ferroviaires/train-a-levitationmagnetique.html
http://www.gralon.net/articles/commerce-et-societe/industrie/article-le-train-magnetique--presentation-et-fonctionnement-3235.htm
http://fr.wikipedia.org/wiki/Transrapid
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