Notice n°
Transitions de phase supraconductrice
Contenu
L’ensemble se compose de deux parties :
- Une « tête » qui comprend une barre supraconductrice en Bi-2223 (Bi2Sr2Ca2Cu3O10+x) et une résistance de platine Pt1000,
- Un circuit électronique qui alimente la tête et mesure les tensions aux bornes de la Pt1000 et de la barre supraconductrice au moyen d’un amplificateur différentiel INA128.
La tête est moulée dans une résine epoxy transparente pour assurer la solidité mécanique.
1) Manipulation
- Brancher les deux sorties du circuit électronique sur un oscilloscope ou une carte d’acquisition.
- Lancer l’acquisition (10 ou 20s/div typiquement) et plonger délicatement la tête dans l’azote liquide. En général les courbes obtenues ne sont pas satisfaisantes : le fort choc thermique engendre des contraintes mécaniques dans le barreau et sur les contacts qui perturbent la mesure (la résistance du barreau est de l’ordre de quelques dizaines de m).
- Relancer l’acquisition et sortir délicatement la tête de l’azote liquide (on peut la laisser suspendue dans les vapeurs pour un réchauffement plus lent).
Ci-dessous un résultat typique :
Pt1000 masse alimentation
de la barre
mesure de tension aux bornes de la barre
supraconductrice
2) Exploitation quantitative
On donne à titre indicatif (se rapporter au Handbook le cas échéant):
Azote :
Tébullition (1atm.)= -196°C=77K Barreau supraconducteur :
température critique Tc=-165°C=108K Résistance du Bi-2223
Au-dessus de la température critique le barreau a un comportement métallique et une très faible résistance de l’ordre de 20m à température ambiante.
On utilise donc un montage à 4 points et un amplificateur d’instrumentation INA128 à fort gain : sa résistance de gain est Rg=2.20 soit un gain G=1+50.0k /Rg=22700. Le courant qui traverse le barreau est I=U0/R=3.42mA. On en tire la résistance du barreau RBi=USC/GI. Toutes les valeurs sont données à 1%
près.
Résistance Pt1000 :
On utilise un simple pont diviseur représenté ci-contre. La dépendance en température de la résistance de platine est :
RPt() ~ 1000(1+t+t2+(t-100)t3 où t est la température en °C avec
=3.9083 10-3 °C-1, =-5.775 10-7°C-2 et =-4.183 10-12°C-4. La précision est de ±0.55°C à -200°C (Classe A).
R=1000
U0=3.42V
sortie USC +
INA128
R12.0k
U1=12.03V
V RPt UPt
Dans le montage ci-contre on obtient avec une précision de ±0.1°C sur la gamme de -220°C à 50°C :
t(UPt)=a UPt 2+b UPt +c avec a=42.2 °CV-2, b=229 °CV-1 et c=-242.3°C.
Au final, la précision typique obtenue est ±1°C sur la gamme de -220°C à 50°C si on tient compte des contributions des résistances, de l’alimentation U1.
On obtient alors le résultat typique suivant :
Remarque : la qualité des cristaux destinés aux démonstrations pédagogiques n’est pas aussi bonne que celle des cristaux « professionnels » pour lesquels la température critique est rapportée. Cela peut justifier l’écart observé. De plus, la résistance de platine est collée sur le barreau et mesure la température en ce point-là qui n’est peut- être pas uniforme à un ou deux degrés près dans tout le volume du barreau.
