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Physique de l’espresso

Une recette ancestrale

Dans les grandes lignes, depuis son invention en 1884, la préparation d’un espresso consiste à forcer de l’eau chaude à passer assez rapidement à travers du café moulu très fin. Plus précisément, la température de l’eau ...

Des panneaux solaires bifaces

Les panneaux solaires : du silicium « dopé »

Dans un panneau solaire, l’énergie lumineuse est convertie en courant électrique, grâce à l’effet photoélectrique où un photon arrache un électron à un atome. Pour cela, il faut ...

Les électrons peuvent s’écouler comme l’eau

Lorsque l’eau s’écoule dans un tuyau, ce sont les interactions entre ses molécules qui la freinent. A l’inverse, lorsque des électrons s’écoulent dans un fil conducteur, c’est avant tout le fil lui-même qui les freine. Une équipe de chercheurs britanniques et israéliens, ...

Les cristaux temporels

Réseaux cristallins associés à l'eau. by Psi?edelisto, based on version by Dbuckingham42 - Own work, CC BY-SA 4.0,

Cristal et brisure de symétrie 

Un cristal est un état de la matière dans lequel les atomes sont ordonnés selon une périodicité spatiale ...

Du ribose dans les météorites

Le ribose, sucre vital

L’ADN - ou acide désoxyribonucléique - est formé en particulier d’un sucre, le désoxyribose, lui-même un dérivé du ribose (C5H10O5). Plus précisément, dans le désoxyribose (C5H10O4) un groupement hydroxyle (-OH) du ribose ...

Un nouveau comportement des électrons

Cooper pairs - Tem5psu CC BY-SA
Isolants, conducteurs et semi-conducteurs

Le comportement d’un solide cristallin relativement au courant électrique, peut être celui d’un isolant, d’un semi-conducteur, d’un métal ou d’un supraconducteur. Dans les isolants, ...

Interférences et biomolécules

CC BY-SA 4.0 Alexandre Gondran
Les expériences d’interférences mettant en jeu des molécules de plus en plus grosses et lourdes révèlent que les lois de la mécanique quantique sont applicables bien au-delà du monde de « l’infiniment petit » ...

Anomalie de dilatation thermique

By Simon Mer - Own work, CC BY-SA 4.0
Généralement, les matériaux se dilatent lorsqu’ils sont chauffés. La raison en est qu’une élévation de température correspond à une augmentation de l’agitation des atomes, or cette agitation n’est pas symétrique. En effet, deux atomes liés au repos sont espacés d’une distance optimale d’un point de vue énergétique, et ont beaucoup plus de mal à se rapprocher très près, que de s’éloigner l’un de l’autre. Cela résulte du fait que la force répulsive croit extrêmement vite si l’on cherche à diminuer la longueur de liaison, alors que la force attractive croit très lentement lorsqu’on tente d’augmenter cette longueur. En somme, la liaison interatomique agit comme « ressort » qui se comprime plus difficilement qu’il ne s’étire. Par conséquent l’agitation thermique a plutôt tendance à augmenter les distances interatomiques, donc le volume.

Pourtant, il existe des exceptions, comme l’eau lorsqu’elle gèle et qui est d’ailleurs l’exemple le plus courant. Plus précisément, la densité maximale de l’eau se situe vers 4°C, ce qui signifie que le liquide voit son volume diminuer lorsque la température grimpe de 0°C à 4°C. Sur cette plage de température, l’eau possède un « coefficient de dilatation négatif ». Certains éléments du tableau périodique se comportent également de cette manière, leur congélation provoquant une diminution de leur densité, le solide flottant sur le liquide. C’est le cas du silicium, du bismuth, du gallium, du germanium, du plutonium et de l’antimoine. Il s’agit là d’exemples d’anomalie de dilatation ne concernant qu’une petite plage de température ou n’ayant lieu que lors du changement de phase liquide - solide. Mettons l’eau liquide et les changements de phase de côté et intéressons-nous à des solides cristallins.

Existe-t-il de tels matériaux ayant un coefficient de dilatation négatif ? La réponse est oui et cela est bien mystérieux. Un des exemples les plus étudiés est le tungstate de zirconium (ZrW2O8) qui exhibe cette anomalie entre -273°C et 777°C. Un autre est le trifluorure de scandium (ScF3) entre -263°C et 827°C. D’autres exemples sont également connus, comme certains silicates, cyanures, les nanotubes de carbone, la glace elle-même quand elle est refroidie à – 200°C… Les études récentes du trifluorure de scandium (ScF3) commencent à lever le voile sur le mystère du coefficient négatif des solides cristallins. La distance entre des atomes liés ne diminue pas, mais c’est l’agitation de la structure cristalline qui permet une réduction de volume comme sur le schéma ci-dessous. Il est fort probable que toutes les autres anomalies puissent s’expliquer selon ce même modèle.

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du premier stage au premier emploi


VKS, l'effet dynamo reproduit en laboratoire
L'expérience de dynamo fluide de la collaboration VKS imite le phénomène de dynamo naturelle, à l'origine des variations des champs magnétiques planétaires et stellaires.

La dynamique du champ magnétique

Le courant électrique que nous utilisons est en grande partie généré par effet dynamo ou en tout cas par des phénomènes similaires. Dans l'Univers, l'effet dynamo joue aussi un rôle clef dans le champ magnétique des planètes et des étoiles. Dans une dynamo solide, l'énergie mécanique du mouvement d'un aimant est convertie en énergie électromagnétique dans la bobine. Dans une dynamo fluide, l'aimant est remplacé par un fluide conducteur dont le mouvement induit un champ magnétique.

En 2007, la collaboration VKS applique cet effet dynamo à du sodium liquide mis en rotation turbulente, d'où son nom d'expérience de dynamo Von-Kármán-Sodium. Dans un cylindre rempli de ce liquide métallique, deux turbines tournent en sens inverse. Lorsque l'on augmente la vitesse de rotation, l'écoulement acquiert toutes les caractéristiques de la turbulence, créant un vortex de liquide, qui génère un champ magnétique. En effet, au-delà d'un certain seuil de turbulence, les variations de champ magnétique au niveau moléculaire se renforcent les unes les autres, créant un champ magnétique à l'échelle macroscopique. En 2017, une équipe a utilisé la géométrie de cette expérience pour réaliser une simulation à haute résolution de cet effet dynamo. Le flux de sodium est modélisé à l'intérieur même du dispositif, non plus seulement au niveau des pales.

Mieux comprendre les champs magnétiques des corps célestes

La plupart des planètes, étoiles et galaxies possèdent un champ magnétique, engendré spontanément par l'effet de dynamo fluide. Dans le cas des dynamos stellaires et planétaires, les écoulements à leur origine sont généralement provoqués par le mouvement d’ensemble de l'astre. L'expérience VKS et ses simulations permettent d'imposer ce type de rotation à un fluide en faisant tourner une turbine plus rapidement que l’autre. Le champ magnétique alors obtenu évolue au cours du temps, avec des renversements erratiques de sa direction, un comportement similaire à ce que l’on sait de l’évolution du champ terrestre au cours des âges.

Certaines caractéristiques de la dynamo d'objets astronomiques à cœur liquide et conducteur peuvent donc être étudiées en laboratoire, dans des situations contrôlées. C'est le cas de la Terre, où le champ magnétique passe d'un état stable à un état présentant des inversions périodiques, tous les cent mille ans environ, le dernier s'étant déroulé il y a sept cent mille ans. En plus de laisser dans les sédiments des traces utiles pour reconstituer le passé géologique de notre planète, les variations du champ magnétique affaiblissent la magnétosphère durant les quelques milliers d'années que dure en moyenne un renversement. Un tel phénomène pourrait exposer nos réseaux de télécommunications aux rayons solaires et cosmiques.

En savoir plus

Étudier sur Terre la génération du champ magnétique à l'intérieur des étoiles et des planètes, sur Le fil Science et Technos, site du CEA

Le champ magnétique de deux aimants, sur Sciences en ligne

Origine du champ magnétique solaire, à propos de la dynamo solaire

La rédaction de Sciences en Ligne
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