Le train à sustentation électrodynamique (TPE)

Je n’ai pas retrouvé d’archive informatisée complète de mon TPE c’est pourquoi le dossier ci dessous n’est pas tout à fait complet et certes un peu mal présenté. Cependant j’ai toujours à disposition le dossier papier ainsi que les 3 expériences que nous avions réalisé. Ce travail nous a permis d’avoir 20 alors n’hésitez pas à me contacter pour plus d’informations!

De nos jours, le réchauffement climatique et ses conséquences irréversibles pour notre planète pousse l’Homme à innover, notamment dans le domaine des transports. Le train à sustentation magnétique tente de répondre à cette nécessité. Ainsi, nous pouvons nous poser la question suivante : Est-il véritablement avantageux pour l’Homme et l’environnement ?

I- FONCTIONNEMENT

1/ Quelques notions

Un aimant permanent possède un pôle nord et d’un pôle sud.

Le courant électrique est un déplacement d’électrons.

Un courant électrique traversant un fil conducteur produit un champ magnétique.

Un électroaimant est une bobine conductrice traversée par un courant qui produit donc un champ électromagnétique. Elle possède aussi un pôle nord et un pôle sud influencés par le sens de circulation des électrons.

Deux pôles de même nature se repoussent (nord-nord ou sud-sud), deux pôles de nature différentes s’attirent (nord-sud).

La terre est comparable à un aimant permanent dont le pôle nord magnétique est proche du pôle nord géographique et le pôle sud magnétique proche du pôle sud géographique. On peut ainsi se repérer à l’aide d’une boussole qui est en fait un aimant permanent dont le pôle nord et le pôle sud sont indiqués. Ainsi on peut déterminer les pôles d’un aimant à l’aide d’une boussole.

2/ La lévitation

Le train à sustentation électrodynamique a pour seul représentant le MAGLEV japonais qui lévite de 10 à 15 cm au dessus de la voie en forme de « U » grâce au principe de supraconductivité et de la loi de Lenz.

Un matériau est dit supraconducteur lorsqu’il n’oppose aucune résistance au passage du courant électrique. Ce phénomène se manifeste à une température dite critique, spécifique à chaque matériau supraconducteur (certain comme l’or ou l’argent ne le sont pas) et souvent très basse (proche du zéro absolu soit –273.15°C).

Lorsqu’un courant circule dans un fil banal, les atomes du fil vibrent et imposent donc une résistance au passage des électrons qui se heurtent aux atomes et dégagent de l’énergie sous forme de chaleur : c’est l’effet Joule. Dans un matériau supraconducteur, la résistance est nulle donc la circulation du courant se fait sans perte d’énergie. Cette caractéristique possède deux avantages :

-On peut injecter des courants importants dans des matériaux supraconducteurs sans craindre que le matériau ne fonde sous l’effet Joule.

-Si l’on injecte un courant dans une spire supraconductrice, ce courant circulera à l’infini. ( note : le terme « d’infini » est un peu exagéré :en réalité d’autres facteurs rentrent en compte comme l’usure des matériaux. Du coup, le courant se limite à plusieurs année de circulation ce qui, déjà, est encourageant)

Ce dernier avantage permet donc de créer des « électroaimants permanents » puissants étant donné que tout courant électrique produit un champ magnétique.

Ainsi le MAGLEV est équipé de 4 spires supraconductrices par wagon fabriquées en niobium et titane et refroidis à –269°C par de l’hélium liquide dans lesquelles circule un courant de 700 kA qui produit un champ magnétique de 4.23 Tesla soit de 98 kilonewtons en permanence avec pour seule condition d’être toujours maintenues en dessous de la température critique.

Lorsqu’on met en mouvement un aimant permanent près d’un fil conducteur, le champ magnétique de l’aimant excite les électrons du fil et induit donc un courant dans celui-ci (principe de la dynamo, à la base de toute production d’électricité omis celle produite par les cellules photovoltaique).Ce courant induit produit lui même un champ magnétique (principe de l’électroaimant) qui est, d’après la loi de Lenz, de sorte que celui-ci s’oppose au déplacement de l’aimant. Ainsi, lorsqu’on approche un aimant d’un conducteur ils se repoussent. Lorsqu’au contraire, on les sépare, ils s’attirent.

Dans le cas du MAGLEV, des bobines conductrices en forme de huit sont disposées sur les parois latérales de la voie. Lorsque le Maglev frôle les paroies latérales de la voie, les bobines se transforment alors en aimants temporaires. De plus, l’emplacement des supraconducteurs sur le MAGLEV est calculé de sorte que les supraconducteurs soient à la même hauteur que la partie basse de la bobine en huit. En conséquence, il se créer un pôle identique à celui du supraconducteur dans la partie basse du huit et un pôle opposé à celui du supraconducteur dans la partie haute du huit (d’après la loi de Lenz). A partir de 100km/h , le courant induit dans les bobines conductrices par le déplacement des supraconducteurs du MAGLEV est suffisamment fort pour produire un champ magnétique apte à soulever les 1.5 tonnes du train qui entre alors en lévitation. En dessous de 100km/h, le train roule sur des pneus du même type que ceux des avions.

3/ La propulsion

La propulsion est assurée par deux couches d’électroaimants situées sur les parois latérales de la voie et alimentés par un générateur de courant alternatif. Elle se fait par un système de forces d’attraction et de répulsion contrôlé en fonction de l’évolution du MAGLEV sur la piste et de sa vitesse. Des électroaimants sont placés sur les parois latérales de manière à ce qu’on retrouve sur le côté du train une succession de pôles magnétiques alternés (nord, sud). Les pôles Nord du train sont alors attirés par les pôles Sud et repoussés par les pôles Nord des rails. De même que les pôles Sud, qui sont, eux, attirés par les pôles Nord et repoussés par les pôles Sud des parois latérales. Si on inverse le sens du courant qui parcourt les électroaimants des rails, on inverse aussi la polarisation de tous les électroaimants. Les électroaimants à bord du train sont alors attirés vers des électroaimants des rails qui se trouvent un peu plus loin, et le train se déplace. On peut donc propulser le train en faisant parcourir un courant alternatif dans les électroaimants des rails. Sa vitesse dépend donc de la fréquence qui varie entre 0 et 56 Hz et de l’intensité du courant envoyé dans les électroaimants.

Afin d’éviter les pertes d’énergie, et d’augmenter la sécurité, la voie est répartie en sections qui propulsent le train à tour de rôle.

Phase 1

Phase 2

Note : Tout repose sur la synchronisation de la fréquence du courant alternatif en fonction de la vitesse du MAGLEV, l’électronique tient donc un rôle extrêmement important dans le projet du MAGLEV.

4/ Le guidage et le freinage

-Le guidage du train est la démonstration même de la loi de Lenz. Lorsqu’on déplace latéralement le train sur la voie, le supraconducteur nord du train (voir le schéma) se rapproche des électroaimants de la paroi de gauche : il se crée donc un pôle nord dans ces bobinages de manière à repousser le supraconducteur et donc le train.

De même, le supraconducteur sud s’éloigne des électroaimants de la paroi de droite : il se créé donc un pôle nord dans ces bobinages de manière à attirer le supraconducteur et donc le train.

Finalement, le train est attiré à droite et repoussé à gauche : il se recentre de lui-même.

-Le freinage se fait par la diminution de la fréquence et de l’intensité du courant destiné à la propulsion et par des aérofreins. Etant donné qu’il n’y a pas de contact entre le train et la voie, il est donc facile de freiner le train en utilisant la résistance de l’air, d’autant plus que le train est lancé à grande vitesse.

II- AVANTAGES ET INCONVENIENTS

1/ Avantages

  •  sécurité (pas de deraillement)
  • pas d’usure (aucun frottements)
  • franchissement de pente plus importante (comparaison TGV)
  • seule limite du MAGLEV : le vent
  • moyen de transport rapide (pas de frottement)
  • moyen de transport écolo (pas si écolo que ca+ouverture sur les inconvenients)
  • accélérations plus rapides. En effet, comme l’indique la représentation du schéma ci-dessus, 5km suffisent à un maglev pour atteindre la vitesse de 300km/h – contre 30km tout de même pour l’ICE.
  • le bruit (comparaison avec TGV voir video record tgv)
  • rendement énergétique

2/ Inconvénients

  •  cout des infrastructures (prix de l’helium liquide, des supra)
  • piste inadaptables avec celles traditionnelles
  • problème des aiguillages
  • peu adapte au fret (marchandises) lourd

III- MAGNETISME ET VIVANT

Le magnétisme est la clef du fonctionnement du train à sustentation électrodynamique. Peut-il avoir toutefois des conséquences sur la santé des passagers et sur l’environnement ?

Il convient d’abord d’établir quelques notions sur les ondes électromagnétiques avant de répondre à cette question.

1/ Notions de magnétisme

a) Le champ électromagnétique

En physique, on appelle « champ » une grandeur qui dépend de la position des différents points d’un espace considéré. Cette grandeur physique peut-être la température, la pression atmosphérique, la pesanteur… Les champs électromagnétiques sont une combinaison de champs de forces électriques et magnétiques invisibles. Existant depuis la naissance de l’univers, le spectre magnétique, c’est-à-dire l’ensemble des ondes existantes, s’étend des ondes statiques aux rayons gamma, en passant par les rayons infrarouges ou encore la lumière visible.

Les champs magnétiques peuvent être d’origine naturelle, comme pour celui crée par l’activité du noyau ferreux de la terre, qui dirige les aiguilles de votre boussole et aide à la navigation des oiseaux migrateurs ou des poissons. Mais il peut aussi résulter de l’activité humaine, tel que pour les rayons X que l’on utilise notamment pour mettre en évidence des fractures ou encore les micro-ondes qui par l’agitation des molécules d’eau de nos aliments, réchauffe ceux-ci.

Les champs électriques sont produits par des variations dans le voltage. Plus il est élevé, plus le champ qui en résulte est intense. Celui-ci survient même si le courant ne circule pas. L’intensité de ce champ diminue lorsque la distance à la source augmente. Les champs magnétiques apparaissent lorsque le courant circule. On peut alors parler de champ électromagnétique. Ils sont d’autant plus intenses que le courant est élevé. Ainsi, lorsqu’on a un courant électrique, l’intensité du champ variera selon la consommation d’électricité, alors que l’intensité restera constante.

b) Les caractéristiques d’une onde électromagnétique

Pour caractériser une onde électromagnétique, on utilise notamment sa fréquence ou encore la longueur d’onde du rayonnement qui lui est associé. On peut se représenter le rayonnement électromagnétique comme une série d’ondes très régulières qui progressent à une vitesse extrêmement élevée et plus précisément à la vitesse de la lumière (vitesse lumiere). La fréquence traduit simplement le nombre d’oscillations ou de cycles par seconde, tandis que la longueur (unite) d’onde (=longueur d’une periode) est égale à la distance entre un point d’une onde et son homologue sur l’onde suivante. Fréquence et longueur d’onde sont donc totalement indissociables : plus la fréquence est élevée, plus la longueur d’onde est courte.

Le train à sustentation électrodynamique émet, de par les électroaimants alimentés par un courant électrique alternatif, des ondes électromagnétiques d’extrêmement basses fréquences (inférieur à 300 Hertz).


2/ Impact du magnétisme sur le vivant

a) Au niveau moléculaire

Les champs électromagnétiques peuvent exercer de petites forces qui entraînent la modification des positions de certaines molécules biologiques ou composants cellulaires ayant des propriétés magnétiques.

L’ADN, molécule représentant le support de notre information génétique, serait sensible aux ondes magnétiques de basses et très basses fréquences et s’orienterait même en fonctions de celles-ci. Le professeur Henry Lay, de l’université de Seattle aux Etats-Unis, a réalisé des tests montrant les effets des champs magnétiques chez des souris subissant chaque jour deux
heures de radiations. Les conclusions sont stupéfiantes car l’ADN des souris s’est progressivement morcelé et brisé en fragments.

Les cryptochromes, protéines présentes chez les végétaux et animaux, interviennent dans de nombreux processus (croissance, développement…). Des chercheurs du laboratoire de physiologie cellulaire et moléculaire des plantes (CNRS/Université Paris VI) ont démontré leur rôle dans la perception des champs magnétiques. Ces protéines sont donc sensibles à toute onde électromagnétique.

Les ondes à très basses fréquences auraient aussi un impact sur les hormones et leur régulation. Le professeur Mathilde Bastide de l’université de Montpellier a montré que le taux l’ACTH et la corticostérone, hormones agissant sur le stress, diminuent respectivement de 60% et de 30% pour des souris soumises aux ondes.

b) Au niveau cellulaire

Les ondes de très basses fréquences ont la capacité d’influencer les réactions métaboliques de certaines cellules. Cet impact peut s’avéré bénéfique (la médecine emploie aujourd’hui en Suisse et en Allemagne les champs magnétiques pour traiter certaines maladies) mais présenter aussi à une certaine dose des risques encore incertains.

D’après le CNRS(centre national de recherche scientifique), des cellules de l’appareil immunitaire appelées lymphocytes voient
une augmentation de la quantité de calcium intracellulaire, traduisant la prolifération des cellules, lors d’une exposition aux ondes de très basses fréquences. Il a été aussi mis en évidence le ralentissement de la prolifération de cellules tumorales in vitro et in vivo suite à cette même exposition. A l’inverse des lymphocytes, le champ électromagnétique a diminué le taux de calcium dans la cellule tumorale. Donc il existe un lien entre les ondes de très basses fréquences et le taux de calcium dans certaines cellules.

A l’hôpital de Boston aux Etats-Unis, une équipe de chercheurs a réussie à agir sur les mastocytes, cellules à l’origine de l’asthme, par l’implantation de nanoparticules magnétisées. Les résultats sont concluant puisque les ondes électromagnétiques influencent l’activité des cellules et ralentissent l’apparition de la maladie.


Toutefois, d’autres études montrent qu’à dose élevée, ces ondes pouvaient augmenter le risque de cancer et notamment de leucémies chez les enfants. Selon le docteur Lennart Hardell basé en Suède, une exposition prolongée aux champs électromagnétiques augmenterait de 2.5% le risque de tumeurs au cerveau.

c) Au niveau macroscopique

Les ondes électromagnétiques de très basses fréquences pourraient affecter le système nerveux et l’activité cérébrale. En effet, certaines personnes attribuent des migraines, des étourdissements ou encore des difficultés de concentrations à ces champs magnétiques. Mais aucune étude n’a encore démontré de façon incontestable le lien entre ces divers symptômes et les ondes.

Les champs magnétiques de basses fréquences influenceraient aussi la croissance des végétaux selon l’intensité du champ. Celle-ci serait accélérée pour un faible champ magnétique mais ralentie pour un puissant rayonnement.

Des tests menés à l’université de Montpellier par le professeur Mathilde Bastide démontrent l’impact des ondes d’extrêmes basses fréquences sur des embryons de poulet : ceux-ci ont subit les rayonnements durant toute la durée de vie embryonnaire (23 jours) et les résultats prouvent que la mortalité a augmenté de 75%.

Le champ électromagnétique a aussi des conséquences pour les animaux sensibles aux ondes magnétiques comme les oiseaux migrateurs ou encore les requins qui possèdent des capteurs spécifiques. La faune est donc, comme l’Homme et la flore influencée par les ondes d’extrêmement basses fréquences.

D’autre part, les champs de très basses fréquences peuvent dérégler des appareils médicaux (appareils cardiovasculaires) des passagers du train à sustentation électrodynamique par le phénomène d’interférence des ondes produites par le système de propulsion du train et de celles de l’appareil. L’impact du magnétisme sur la personne est alors indirect mais bien réel.

3/ Protection face au champ électromagnétique

Pour se protéger d’un champ électromagnétique, il existe le blindage magnétique. Les matériaux qui le composent possèdent une susceptibilité face aux à ce type de champ (fer, nickel) et peuvent alors former un isolant face aux ondes électromagnétiques.

Dans le cas du train à sustentation électrodynamique, le blindage magnétique peut constituer une protection aux champs électromagnétique mais relative car le passager du train est tout de même soumis à une certaine dose d’ondes. Le blindage peut atténuer le champ crée par le train mais en aucun cas le stopper entièrement. En outre, le blindage permet d’éviter une surexposition aux ondes électromagnétique pour le passager mais ne modifie pas l’exposition au champ de l’environnement.(Le meilleur moyen de se protéger d’une onde c’est de se tirer en courant)

4/ Expérience

Problème : Le champ magnétique influence t’il la croissance, les phénotypes cellulaire et macroscopique de végétaux?

Hypothèses : 1-Le champ magnétique accélère la pousse des végétaux.

2-Le champ magnétique ne modifie pas les phénotypes cellulaire et macroscopique des végétaux.

a) Protocole expérimental

1- Nous avons disposé sur deux plateaux P1 et P2 préalablement recouverts de coton humidifié deux lots de lentilles à germer L1 et L2.

2- Nous avons ensuite placer au centre du plateau P1 un aimant permanent assez puissant pour que le champ magnétique statique englobe l’ensemble du plateau (Nous avons pris soin durant le déroulement de l’expérience de séparer P1 et P2).

3- Nous humidifions de la même manière les cotons de P1 et P2 très régulièrement.

4-Nous avons noté chaque jour les conditions de températures et d’hydrométrie dans lesquels se trouvaient L1 et L2 (les valeurs figurent dans le tableau).

5- Nous avons établi un graphe présentant deux courbes C1 et C2 désignant respectivement la croissance moyenne de L1 et L2 au cours du temps.

OBSERVATIONS ET CONDITIONS D’EXPERIMENTATION POUR L’EXPERIENCE 2

DATE

OBSERVATIONS

TEMPERATURE

HYDROMETRIE

21/11/08 Début de l’expérience 21.2 °C70.2 °F 45%
22/11/08 20.9 °C70.0 °F 39%
23/11/08 Début de la germination 20.2°C68.4°F 37%
24/11/08 21.4°C70.5°C 39%
25/11/08 22.9°C73.2°F 37%
26/11/08 22.5°C72.5°F 34%
27/11/08 21.3°C70.3°F 37%
28/11/08 21.6°C70.9°F 34%
29/11/08 21.6°C70.9F 35%
30/11/08 21.1°C70.0°F 37%
1/12/08 21.4°C70.5°F 39%
2/12/08 21.7°C71.1°F 36%
3/12/08 21.2°C70.2°C 36%
4/12/08 20.2°C62.4°F 34%
5/12/08 22.2°C72.0°F 38%

Expérience le 21/11/08


Expérience le 28/11/08


Expérience le 1/12/08


Expériences réalisées:

  • boussole/aimant (propriétés aimants)
  • lévitation électroaimant/aimant (propriétés aimants)
  • tubes paresseux (loi de lenz)
  • rotation aimant proche d’un disque d’alu tournant
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