Caractérisation des supraconducteurs à haute température critique en vue d'application en électrotechnique, Characterization of high critical temperature superconductors for application in electrical engineering

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FACULTE DES SCIENCES ET TECHNOLOGIES
U.F.R. Sciences & Techniques Mathématiques, Informatique, Automatique
Ecole Doctorale I.A.E.M Lorraine
Département de Formation Doctorale ‘‘Electronique et Electrotechnique’’

THÈSE

présentée pour l’obtention du titre de
Docteur de l’Université Henri Poincaré, Nancy I
en Génie Electrique
par
Thê Cuong HOÀNG
DEA Génie Electrique INP Lorraine
Ingénieur Génie Electrique INP Hanoï (Vietnam)

Caractérisation des supraconducteurs à haute température
critique en vue d’application en électrotechnique

Soutenance publiquement le 6 Décembre 2010


Membres du jury :
Président : M. R. IBTIOUEN Professeur, Directeur de Recherche, ENP, Alger
Rapporteurs : M. G. BARAKAT Professeur, GREAH, Université du Havre
M. A. DJERDIR MCF-HDR, SET, UTBM, Belfort - Montbéliard
Directeur de Thèse : M. J. LÉVÊQUE Professeur, GREEN, UHP, Nancy I
Co-Encadrant : M. B. DOUINE Maître de Conférences, GREEN, UHP, Nancy I

Groupe de Recherche en Electrotechnique et Electronique de Nancy
Faculté des Sciences & Technologies, BP 239
54506 Vandoeuvre-lès-Nancy Cedex REMERCIEMENTS

Ce mémoire de thèse contient des résultats de travail depuis Octobre 2007 qui ont été
effectués au sein du Laboratoire de Groupe de Recherche en Electrotechnique et Electronique
de Nancy (GREEN) à l’Université Henri Poincaré (UHP).
Tout d’abord, je tiens à remercier M. Abderrezak REZZOUG, Professeur à l’Université Henri
Poincaré, ex-directeur du laboratoire GREEN, pour m’avoir accueilli comme doctorant dans
son laboratoire.
Je tiens à exprimer ma profonde gratitude à M. Jean LEVEQUE, Professeur à l’Université
Henri Poincaré, mon directeur de thèse, et M. Bruno DOUINE, Maître des Conférences à
l’Université Henri Poincaré, mon co-encadrant de thèse, de m’avoir choisi pour ce sujet de
thèse, et de m'avoir permis d’effectuer ces travaux de recherche dans les meilleures conditions
possibles. Je les remercie également pour leurs conseils scientifiques très avisés, leurs
remarques très pertinentes, du temps qu’ils ont su me consacrer, leur aide très précieuse dans
la mise en place des mesures expérimentales, et de la confiance qu’ils m’ont accordée durant
ces trois années de thèse.
Je remercie sincèrement M. Georges BARAKAT, Professeur à l'Université du Havre, et M.
Abdesslem DJERDIR, Maître des Conférences - HDR à l'Université de Technologie de
Belfort - Montbéliard, pour avoir accepté de rapporter sur mon travail.
Mon sincère remerciement s’adresse également à M. Rachid IBTIOUEN, Directeur de
Recherche, Professeur à l’Ecole Nationale Polytechnique d’Alger, pour avoir accepté de
participer à ma soutenance en tant qu’examinateur.
Je remercie également M. Shahrokh SAADATE, Professeur à l’Université Henri Poincaré, le
nouveau directeur du laboratoire GREEN, pour m’avoir accueilli dans son laboratoire en tant
qu’ATER 2010-2011, qui est une occasion d’enrichir mon expérience en enseignement.
Je remercie aussi toutes les personnes dans le laboratoire GREEN-UHP, qui m’ont montré
leurs sympathies, qui m’ont aidé pour les moments difficiles pendant ces trois années de
thèse.
Je tiens aussi à exprimer mes remerciements à tous ceux qui ont eu la gentillesse d'assister à la
soutenance de cette thèse.
Table des matières
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TABLE DES MATIERES

Liste des abréviations 4
Introduction générale 8

Chapitre 1 : GENERALITES 10
1.1. Propriétés générales 11
1.1.1. Grandeurs caractéristiques 12
1.1.1.1. Température critique 12
1.1.1.2. Champ magnétique critique 12
1.1.1.3. Densité de courant critique 12
1.1.1.4. Surface critique 12
1.1.2. Classification des supraconducteurs 13
1.1.2.1. Supraconducteurs de type I 13
1.1.2.2. Supraconducteurs de type II 13
1.2. Supraconducteurs à haute température critique HTc 14
1.2.1. Généralités 14
1.2.2. Application des supraconducteurs HTc 15
1.3. Caractéristique E(J), n(B), et J (B) des supraconducteurs HTc 15 c
1.4. Méthodes de caractérisation des supraconducteurs 18
1.4.1. Méthodes électriques 18
1.4.2. Méthodes magnétiques 19
1.5. Pertes dans les supraconducteurs 22
1.5.1. Pertes en régime variable périodique, modèle de l’état critique de Bean 23
1.5.1.1. Première montée du courant de 0 à I 25 max
1.5.1.2. Variation du courant de I à -I 27 max max
1.5.2. Pertes en régime variable périodique, modèle linéaire de variation de J (B) 30 c
1.5.2.1. Première montée du courant de 0 à I 31 max
1.5.2.2. Première descente du courant de I à 0 33 max
1.5.2.3. Deuxième descente du courant de 0 à -I 36 max
1.5.2.4. Formules de calcul des pertes 39
1.5.3. Récapitulation des résultats des calculs de pertes 40
1.6. Conclusions 42
1 Table des matières
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1.7. Bibliographie du chapitre 1 44

Chapitre 2 : CARACTERISATION DC DES SUPRACONDUCTEURS HTc 48
2.1. Caractéristiques U(I), J (B) et n(B) d’un tube supraconducteur HTc 49 c
2.1.1. Présentation des échantillons 49
2.1.2. Caractéristique U(I) pour différentes vitesses de montée du courant 49
2.1.2.1. Description de l’expérience 49
2.1.2.2. Résultats de mesures 51
2.1.3. Caractéristiques J (B) et n(B) 54 c
2.1.3.1. Description de l’expérience 54
2.1.3.2. Résultats de mesures 56
2.2. Compensation du champ magnétique propre dans un tube supraconducteur HTc 60
2.2.1. Première solution – Compensation par champ intérieur au tube 61
2.2.1.1. Principe de compensation 61
2.2.1.2. Banc de mesure 62
2.2.1.3. Résultats de mesures et analyse 63
2.2.1.4. Comparaison entre les résultats théoriques (calcul analytique) et les
résultats expérimentaux 65
2.2.2. Deuxième solution – Compensation par champ extérieur au tube 66
2.2.2.1. Principe de compensation 66
2.2.2.2. Banc de mesure 66
2.2.2.3. Résultats de mesures et analyse 67
2.2.2.4. Optimisation de la méthode de compensation avec champ extérieur au
tube en test 71
2.2.2.4.1. Optimisation du nombre de bobines par Matlab-FEMM 71
2.2.2.4.2. Optimisation des paramètres de position des deux bobines par
Matlab-FEMM 76
2.3. Détermination de Jc dans une plaque supraconductrice HTc par la mesure de Bp :
influence de la vitesse de montée du champ magnétique 79
2.3.1. Théorie de la diffusion de densité de courant dans une plaque SHTc 80
2.3.1.1. Description du problème : plaque infiniment longue soumise