La mesure de la résistance d'un supra-conducteur

La supraconductivité

par  Stefano Gariglio  Laboratoire  DPMC

Le phénomène de la supraconductivité se manifeste par l’apparition d’un état de conduction parfaite et par l’expulsion complète de tout champ magnétique.
Lorsque la température est baissée au‐dessous d’une température critique (Tc), la résistance d’un échantillon supraconducteur tombe rapidement à une valeur nulle. Cette mesure fut réalisée pour la première fois par Heike Kamerlingh Onnes (Prix Nobel de physique en 1913) et son étudiant Gilles Host à Leiden (Pays‐Bas) en avril 1911 sur un échantillon de mercure. La température critique mesurée était alors de 4.2 K (≈ ‐270 °C).
Du point de vue magnétique, lors d’un refroidissement au‐dessous de Tc, le supraconducteur expulse de son intérieur le champ magnétique dans lequel il est plongé. Plus précisément, le supraconducteur crée un champ magnétique opposé à celui qu’il ressent. Ce phénomène se manifeste d’une façon spectaculaire par la lévitation magnétique.

Mesure de la résistance électrique

La mesure de la résistance électrique est basée sur la loi d’Ohm : l’échantillon s’oppose au passage d’un courant électrique en son sein et développe donc une tension à ses bornes. L’intensité du courant (I) et la tension (U) sont reliées par la relation (loi d’Ohm) :
U=RI
où R est la résistance de l’échantillon.
Nous pouvons donc procéder de deux façons pour mesurer R.
A l’aide d’une source de tension (une pile, par exemple) on fixe la tension et on mesure le courant qui circule dans le circuit avec un ampèremètre.
De façon équivalente, une source de courant débite un courant choisi (Is dans la figure 1) qui traverse l’échantillon et on mesure la tension aux bornes de l’échantillon à l’aide d’un voltmètre.

Figure 1: Mesure d’une résistance à deux fils
Pour la mesure d’une résistance nulle, plus d’attention est requise. Dans les deux cas discutés précédemment, la résistance de l’échantillon (Rx) est normalement beaucoup plus grande que la résistance des fils de mesure (Rlead dans les figures) ou de l’ampèremètre. Mais, ces hypothèses ne sont plus valides quand Rx est nulle. Pour pallier à ce problème, on mesure la résistance avec une source de courant et on capte la tension au centre de l’échantillon. Ainsi, on s’affranchit de la résistance de contact et de la résistance des fils.

Figure 2: Mesure d’une résistance à quatre fils.

Mesure d’une transition résistive d’un supraconducteur.

Pour observer la chute de résistance dans un supraconducteur lors de son refroidissement, la résistance de l’échantillon est mesurée au même temps que sa température. On utilise des liquides froids pour le refroidissement, soit l’azote (77 K, ‐196 °C) soit l’hélium (4.2 K, ‐270 °C).
Toutefois dans le cas d’une mesure de résistance en fonction de la température, la différence de température entre l’échantillon (qui est refroidi) et les appareils de mesure (qui sont à l’ambiante) peut enduire des tensions électriques supplémentaires dans le circuit. Pour cette raison, on inverse le signe du courant et on moyenne sur les deux directions de mesure.

Dr Stefano Gariglio Laboratoire DPMC

Compléments :

• Une discussion de la différence entre supraconductivité et mouvement perpétuel
• Une discussion avec un spécialiste sur les interactions entre les paires de Cooper
• Les données authentiques obtenues au labo du DPMC avec les élèves (Réservé aux membres)
  • Donnees-classe2-26IV012-descente-brutes(texte-tabule)
  • Données classeI-26I012-remontee.xltx
  • Autres données (Abréviation du matériaux au début puis sens de la mesure DW = en descendant et UP = en remontant. ( en général plus régulier).