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Le train le plus rapide jamais construit – La physique complète de celui-ci
Le train le plus rapide jamais construit – La physique complète de celui-ci
Les trains à sustentation magnétique sont aujourd'hui courant. Cependant, le train maglev développé par la centrale japonaise a loué kompany est tout à fait unique et supérieur aux autres trains. Avec une vitesse de plus de 600 kilomètres heure, il a atteint le statut de train le plus rapide.
Ce train utilise des aimants supraconducteurs. C'est pourquoi il est appelé SC maglev. Une fois chargé d'un courant porteur, les aimants supraconducteurs de ce train produisent un courant continu circulant et un champ magnétique puissant en permanence, sans aucune perte.
Essayons d'en savoir plus sur cette technologie ferroviaire testée avec succès qui devrait dépasser les autres technologies de lévitation magnétique d'ici 2027. Cette même technologie devrait permettre de relier la ville de New York à Washington DC en une heure seulement d'ici 2030.
Pour exploiter avec succès un train à sustentation magnétique, nous devons atteindre les 3 objectifs suivants : 1 la propulsion, 2 la lévitation et 3 le guidage. Toutefois, avant d'entrer dans les détails de la manière dont le train SC maglev atteint ses objectifs, étudions le cœur de ce train : les aimants supraconducteurs.
Les trains à lévitation nécessitent des électroaimants extrêmement puissants. Plus les aimants sont puissants, plus leur force de levage et de propulsion est importante, ce qui permet d'augmenter la vitesse du train. Un électroaimant normal n'est pas en mesure d'augmenter la valeur du courant au-delà d'une certaine limite en raison du problème d'échauffement.
Dans les électroaimants supraconducteurs, la température du conducteur est abaissée en dessous d'une limite critique. Après cela, le matériau produit soudainement une énorme quantité de flux de courant avec une résistance nulle. Ce résultat est exactement ce que nous voulons.
Ce qui est intéressant, c'est qu'il suffit de charger la bobine supraconductrice une seule fois en utilisant un courant porteur pour que les bobines court-circuitées produisent un courant continu circulant en permanence sans perte d'énergie. Le courant circulant dans les bobines supraconductrices est énorme : 700 kg en père, soit près de 10 mille fois la valeur du courant des fils de cuivre domestique classique.
Les électroaimants supraconducteurs sont évidemment les électroaimants les plus puissants et les plus efficaces. Le défi consiste à maintenir les bobines dans un état supraconducteur. Pour ce faire, un système de réfrigération à l'hélium liquide est utilisé à bord.
Le supraconducteur du train SC maglev est un alliage niobium titane dont la température critique est de 9,2 Kelvin. Pour maintenir la température de l'alliage en dessous de cette limite, on fait circuler autour de lui de l'hélium liquide à une température de 4,5 Kelvin. Après être passé sur le conducteur, l'hélium liquide s'évapore.
Pour le ramener au stade initial, on utilise un compresseur à hélium et une unité de réfrigération. L'unité de réfrigération fonctionne sur le principe du cycle de réfrigération de Gifford McMahon. Pourtant, le travail d'ingénierie du département cryogénique n'est pas encore terminé.
Le supraconducteur peut absorber la chaleur de l'extérieur sous forme de rayonnement. Pour éviter cette absorption, un écran de protection contre les radiations est ajouté autour de celui-ci. Cependant, pendant le fonctionnement du train, des problèmes de formation de courants de Foucault et d'échauffement peuvent survenir dans ce blindage.
Pour neutraliser cet échauffement, le bouclier anti-radiations doit également être refroidi, ce qui est réalisé en alimentant l'unité en azote liquide. Pour éviter le transfert de chaleur par convection, un vide est maintenu à l'intérieur du bouclier anti-radiations.
4 supraconducteurs de ce type, avec une polarité de courants opposés, sont disposés dans une unité. Bien que dans un SC maglev les électroaimants fonctionnent sans aucune alimentation électrique, le département de cryogénie exige une bonne quantité d'énergie. Un grand nombre d'unités sont attachées sur la longueur du train des deux côtés.
Comme mentionné, la première tâche est la propulsion. Faire avancer le train est une tâche facile. Pour ce faire, nous utilisons une série d'électroaimants normaux, appelés les bobines de propulsion. Les bobines de propulsion sont alimentées de manière alternative, comme indiqué, et sont placées à l'intérieur d'une glissière.
Ensuite, nous devons déterminer la force que les bobines de propulsion produisent sur les aimants supraconducteurs du train. Veuillez noter que pour comprendre la direction de la force qu'un aimant produit sur l'autre, il suffit de considérer les pôles les plus proches.
Si nous analysons la force agissant sur les bobines supraconductrices en raison des bobines de propulsion, si on prend le résultat de toutes ces forces, la force nette sera dirigée vers l'avant. Donc le train avance.
Dès que le train atteint la position moyenne suivante, on bascule les bobines de propulsion sur l'autre polarité afin que la force nette soit à nouveau dirigée vers l'avant. En contrôlant simplement la fréquence de cette commutation, on peut contrôler la vitesse du train.
Venons-en maintenant à la partie la plus intéressante de cette technologie : la lévitation du SC maglev. Vous serez peut-être surpris d'apprendre que la lévitation du train SC maglev est obtenue à l'aide de ces simples bobines en forme de huit qui ne sont même pas alimentées.
De nombreuses bobines de ce type en forme de huit sont disposées dans la voie de guidage. Pour comprendre la technologie de lévitation, nous devons d'abord connaître la nature d'une paire d'aimants supraconducteurs.
Le champ magnétique résultant produit par cette paire d'aimants SC est très similaire à celui d'un aimant permanent long. Pour simplifier l'analyse, remplaçons donc cette paire par une longue barre aimantée.
Ce train utilise des aimants supraconducteurs. C'est pourquoi il est appelé SC maglev. Une fois chargé d'un courant porteur, les aimants supraconducteurs de ce train produisent un courant continu circulant et un champ magnétique puissant en permanence, sans aucune perte.
Essayons d'en savoir plus sur cette technologie ferroviaire testée avec succès qui devrait dépasser les autres technologies de lévitation magnétique d'ici 2027. Cette même technologie devrait permettre de relier la ville de New York à Washington DC en une heure seulement d'ici 2030.
Pour exploiter avec succès un train à sustentation magnétique, nous devons atteindre les 3 objectifs suivants : 1 la propulsion, 2 la lévitation et 3 le guidage. Toutefois, avant d'entrer dans les détails de la manière dont le train SC maglev atteint ses objectifs, étudions le cœur de ce train : les aimants supraconducteurs.
Les trains à lévitation nécessitent des électroaimants extrêmement puissants. Plus les aimants sont puissants, plus leur force de levage et de propulsion est importante, ce qui permet d'augmenter la vitesse du train. Un électroaimant normal n'est pas en mesure d'augmenter la valeur du courant au-delà d'une certaine limite en raison du problème d'échauffement.
Dans les électroaimants supraconducteurs, la température du conducteur est abaissée en dessous d'une limite critique. Après cela, le matériau produit soudainement une énorme quantité de flux de courant avec une résistance nulle. Ce résultat est exactement ce que nous voulons.
Ce qui est intéressant, c'est qu'il suffit de charger la bobine supraconductrice une seule fois en utilisant un courant porteur pour que les bobines court-circuitées produisent un courant continu circulant en permanence sans perte d'énergie. Le courant circulant dans les bobines supraconductrices est énorme : 700 kg en père, soit près de 10 mille fois la valeur du courant des fils de cuivre domestique classique.
Les électroaimants supraconducteurs sont évidemment les électroaimants les plus puissants et les plus efficaces. Le défi consiste à maintenir les bobines dans un état supraconducteur. Pour ce faire, un système de réfrigération à l'hélium liquide est utilisé à bord.
Le supraconducteur du train SC maglev est un alliage niobium titane dont la température critique est de 9,2 Kelvin. Pour maintenir la température de l'alliage en dessous de cette limite, on fait circuler autour de lui de l'hélium liquide à une température de 4,5 Kelvin. Après être passé sur le conducteur, l'hélium liquide s'évapore.
Pour le ramener au stade initial, on utilise un compresseur à hélium et une unité de réfrigération. L'unité de réfrigération fonctionne sur le principe du cycle de réfrigération de Gifford McMahon. Pourtant, le travail d'ingénierie du département cryogénique n'est pas encore terminé.
Le supraconducteur peut absorber la chaleur de l'extérieur sous forme de rayonnement. Pour éviter cette absorption, un écran de protection contre les radiations est ajouté autour de celui-ci. Cependant, pendant le fonctionnement du train, des problèmes de formation de courants de Foucault et d'échauffement peuvent survenir dans ce blindage.
Pour neutraliser cet échauffement, le bouclier anti-radiations doit également être refroidi, ce qui est réalisé en alimentant l'unité en azote liquide. Pour éviter le transfert de chaleur par convection, un vide est maintenu à l'intérieur du bouclier anti-radiations.
4 supraconducteurs de ce type, avec une polarité de courants opposés, sont disposés dans une unité. Bien que dans un SC maglev les électroaimants fonctionnent sans aucune alimentation électrique, le département de cryogénie exige une bonne quantité d'énergie. Un grand nombre d'unités sont attachées sur la longueur du train des deux côtés.
Comme mentionné, la première tâche est la propulsion. Faire avancer le train est une tâche facile. Pour ce faire, nous utilisons une série d'électroaimants normaux, appelés les bobines de propulsion. Les bobines de propulsion sont alimentées de manière alternative, comme indiqué, et sont placées à l'intérieur d'une glissière.
Ensuite, nous devons déterminer la force que les bobines de propulsion produisent sur les aimants supraconducteurs du train. Veuillez noter que pour comprendre la direction de la force qu'un aimant produit sur l'autre, il suffit de considérer les pôles les plus proches.
Si nous analysons la force agissant sur les bobines supraconductrices en raison des bobines de propulsion, si on prend le résultat de toutes ces forces, la force nette sera dirigée vers l'avant. Donc le train avance.
Dès que le train atteint la position moyenne suivante, on bascule les bobines de propulsion sur l'autre polarité afin que la force nette soit à nouveau dirigée vers l'avant. En contrôlant simplement la fréquence de cette commutation, on peut contrôler la vitesse du train.
Venons-en maintenant à la partie la plus intéressante de cette technologie : la lévitation du SC maglev. Vous serez peut-être surpris d'apprendre que la lévitation du train SC maglev est obtenue à l'aide de ces simples bobines en forme de huit qui ne sont même pas alimentées.
De nombreuses bobines de ce type en forme de huit sont disposées dans la voie de guidage. Pour comprendre la technologie de lévitation, nous devons d'abord connaître la nature d'une paire d'aimants supraconducteurs.
Le champ magnétique résultant produit par cette paire d'aimants SC est très similaire à celui d'un aimant permanent long. Pour simplifier l'analyse, remplaçons donc cette paire par une longue barre aimantée.
Si une barre aimantée se déplace parallèlement à ces bobines en forme de huit, pouvez-vous prédire ce qui va se passer ? La variation du flux magnétique induit une force électromotrice (EMF) sur les deux boucles, selon la loi de Faraday.
Les EMF vont-ils dans la même direction ? Veuillez noter qu'il s'agit d'une bobine tordue. Ce n'est qu'en la déroulant que l'on comprendra la bonne direction. Il est clair que les forces électromagnétiques induites sont de sens opposé, ce qui signifie que la force électromagnétique nette induite sur cette bobine, en raison du mouvement du barreau aimanté, est nulle et qu'aucun courant ne circule dans la boucle.
En bref, un aimant sous forme de barre se déplaçant au centre de la boucle n'aura aucun effet sur la boucle. Voyons maintenant le même cas, mais cette fois l'aimant est légèrement décalé par rapport à la boucle, comme indiqué.
La boucle inférieure est confrontée à un flux magnétique de plus grande intensité, ce qui signifie que l'EMF induite sur la boucle inférieure sera plus élevée que sur la boucle supérieure. Cette force plus élevée signifie également qu'un courant net circulera dans la boucle.
Ce flux de courant produit un pôle sud sur la boucle supérieure et un pôle nord sur la boucle inférieure. Si on analyse l'interaction des forces entre les pôles magnétiques, il est clair qu'une force résultante vers le haut est imposée à l'aimant supraconducteur.
Si cette force est supérieure à la force gravitationnelle, l'aimant se déplace vers le haut. Oui, le mouvement d'un aimant supraconducteur parallèle et décalé par rapport à une bobine en forme de huit produit la lévitation.
Au fur et à mesure que l'aimant se déplace vers le haut, la différence entre les valeurs de l'EMF et le flux de courant dans la boucle diminue, ce qui signifie que la force sur la boucle diminue également. Enfin, lorsque la force ascendante devient égale à la force gravitationnelle, l'aimant s'équilibre et le train est en lévitation.
Les ingénieurs japonais ont atteint une lévitation de 3,9 pouces (10 cm) en utilisant cette technologie. Il est clair que plus la vitesse du train est élevée, plus la force de lévitation est grande, ce qui signifie que lorsque le train est au repos, il ne peut pas léviter.
C'est pourquoi le train SC maglev utilise des pneus normaux pour le démarrage et le fonctionnement à basse vitesse. Lorsque le train atteint une vitesse critique, les pneus se rétractent, car la force électromagnétique est suffisamment puissante pour faire léviter le train.
Vient ensuite la question du guidage des trains. Le guidage signifie que le train doit toujours être centré. Il doit se déplacer sans heurter les parois latérales. En d'autres termes, il doit atteindre la stabilité latérale.
Les ingénieurs japonais ont obtenu cette stabilité assez facilement en interconnectant les bobines en forme de huit que nous avons vu précédemment, comme indiqué. Si le train se trouve au centre, les forces électromagnétiques induites sur les bobines de droite et de gauche seront égales et aucun courant ne circulera dans les bobines d'interconnexion.
Toutefois, supposons que le train se soit légèrement déplacé vers la droite. Ce décalage provoque une différence de force électromotrice entre les bobines de droite et de gauche, ce qui entraîne un flux de courant dans les bobines d'interconnexion.
Le flux de courant à travers les bobines d'interconnexion affectera radicalement le flux de courant dans les deux boucles inférieures et donc la force polaire de chaque boucle. Analysons maintenant les forces qui agissent sur le train.
Vous pouvez voir que les composantes verticales des forces restent les mêmes, mais qu'une composante horizontale nette se manifeste vers la gauche, ce qui oblige le train à revenir vers le centre. Au fur et à mesure que le train s'approche du centre, les courants dans les boucles d'interconnexion diminuent, et finalement la composante horizontale de la force disparaît.
Quel mécanisme facile et brillant pour stabiliser le train, n'est-ce pas ?
D'après ce que nous avons vu jusqu'à présent, vous pouvez comprendre que le système cryogénique du train et les autres appareils électriques du train nécessitent une énorme quantité d'énergie électrique.
Comment transférer l'énergie électrique à un tel train à grande vitesse ? Le Central Japan Railway a utilisé pour cela une technique appelée captage inductif. Grâce au principe de l'induction électromagnétique, l'énergie électrique est transférée des bobines de terre à la bobine de collecte d'énergie dans le train sans aucun contact matériel.
Le champ magnétique puissant que produisent les aimants supraconducteurs peut présenter des risques pour la santé des passagers. Pour éviter cet effet indésirable, des écrans magnétiques sont utilisés sur le matériel roulant et les installations d'embarquement des passagers, ce qui permet de maintenir l'intensité du champ magnétique en deçà des directives de la CEPI PRN.
Les essais de train SC maglev ont commencé en 1997 sur la ligne d'essai du maglev de Yamanashi. Les essais ont été couronnés de succès et se sont poursuivis pendant 10 années consécutives sans manquer un seul jour.
Un record mondial de vitesse de 603 km/h a été atteint à cette époque. Ces résultats très positifs ont encouragé les autorités japonaises, qui ont accordé aux SC maglev l'autorisation de mener des opérations commerciales entre Tokyo et Nagoya d'ici 2027, et d'autres trains SC maglev suivront.
Avant de partir, n'oubliez pas de faire partie de notre équipe. Merci.
Les EMF vont-ils dans la même direction ? Veuillez noter qu'il s'agit d'une bobine tordue. Ce n'est qu'en la déroulant que l'on comprendra la bonne direction. Il est clair que les forces électromagnétiques induites sont de sens opposé, ce qui signifie que la force électromagnétique nette induite sur cette bobine, en raison du mouvement du barreau aimanté, est nulle et qu'aucun courant ne circule dans la boucle.
En bref, un aimant sous forme de barre se déplaçant au centre de la boucle n'aura aucun effet sur la boucle. Voyons maintenant le même cas, mais cette fois l'aimant est légèrement décalé par rapport à la boucle, comme indiqué.
La boucle inférieure est confrontée à un flux magnétique de plus grande intensité, ce qui signifie que l'EMF induite sur la boucle inférieure sera plus élevée que sur la boucle supérieure. Cette force plus élevée signifie également qu'un courant net circulera dans la boucle.
Ce flux de courant produit un pôle sud sur la boucle supérieure et un pôle nord sur la boucle inférieure. Si on analyse l'interaction des forces entre les pôles magnétiques, il est clair qu'une force résultante vers le haut est imposée à l'aimant supraconducteur.
Si cette force est supérieure à la force gravitationnelle, l'aimant se déplace vers le haut. Oui, le mouvement d'un aimant supraconducteur parallèle et décalé par rapport à une bobine en forme de huit produit la lévitation.
Au fur et à mesure que l'aimant se déplace vers le haut, la différence entre les valeurs de l'EMF et le flux de courant dans la boucle diminue, ce qui signifie que la force sur la boucle diminue également. Enfin, lorsque la force ascendante devient égale à la force gravitationnelle, l'aimant s'équilibre et le train est en lévitation.
Les ingénieurs japonais ont atteint une lévitation de 3,9 pouces (10 cm) en utilisant cette technologie. Il est clair que plus la vitesse du train est élevée, plus la force de lévitation est grande, ce qui signifie que lorsque le train est au repos, il ne peut pas léviter.
C'est pourquoi le train SC maglev utilise des pneus normaux pour le démarrage et le fonctionnement à basse vitesse. Lorsque le train atteint une vitesse critique, les pneus se rétractent, car la force électromagnétique est suffisamment puissante pour faire léviter le train.
Vient ensuite la question du guidage des trains. Le guidage signifie que le train doit toujours être centré. Il doit se déplacer sans heurter les parois latérales. En d'autres termes, il doit atteindre la stabilité latérale.
Les ingénieurs japonais ont obtenu cette stabilité assez facilement en interconnectant les bobines en forme de huit que nous avons vu précédemment, comme indiqué. Si le train se trouve au centre, les forces électromagnétiques induites sur les bobines de droite et de gauche seront égales et aucun courant ne circulera dans les bobines d'interconnexion.
Toutefois, supposons que le train se soit légèrement déplacé vers la droite. Ce décalage provoque une différence de force électromotrice entre les bobines de droite et de gauche, ce qui entraîne un flux de courant dans les bobines d'interconnexion.
Le flux de courant à travers les bobines d'interconnexion affectera radicalement le flux de courant dans les deux boucles inférieures et donc la force polaire de chaque boucle. Analysons maintenant les forces qui agissent sur le train.
Vous pouvez voir que les composantes verticales des forces restent les mêmes, mais qu'une composante horizontale nette se manifeste vers la gauche, ce qui oblige le train à revenir vers le centre. Au fur et à mesure que le train s'approche du centre, les courants dans les boucles d'interconnexion diminuent, et finalement la composante horizontale de la force disparaît.
Quel mécanisme facile et brillant pour stabiliser le train, n'est-ce pas ?
D'après ce que nous avons vu jusqu'à présent, vous pouvez comprendre que le système cryogénique du train et les autres appareils électriques du train nécessitent une énorme quantité d'énergie électrique.
Comment transférer l'énergie électrique à un tel train à grande vitesse ? Le Central Japan Railway a utilisé pour cela une technique appelée captage inductif. Grâce au principe de l'induction électromagnétique, l'énergie électrique est transférée des bobines de terre à la bobine de collecte d'énergie dans le train sans aucun contact matériel.
Le champ magnétique puissant que produisent les aimants supraconducteurs peut présenter des risques pour la santé des passagers. Pour éviter cet effet indésirable, des écrans magnétiques sont utilisés sur le matériel roulant et les installations d'embarquement des passagers, ce qui permet de maintenir l'intensité du champ magnétique en deçà des directives de la CEPI PRN.
Les essais de train SC maglev ont commencé en 1997 sur la ligne d'essai du maglev de Yamanashi. Les essais ont été couronnés de succès et se sont poursuivis pendant 10 années consécutives sans manquer un seul jour.
Un record mondial de vitesse de 603 km/h a été atteint à cette époque. Ces résultats très positifs ont encouragé les autorités japonaises, qui ont accordé aux SC maglev l'autorisation de mener des opérations commerciales entre Tokyo et Nagoya d'ici 2027, et d'autres trains SC maglev suivront.
Avant de partir, n'oubliez pas de faire partie de notre équipe. Merci.