Lepot Alex Morel Winny Undi Maxime

Le train sur rail magnétique

Année Scolaire 2006-2007

Sommaire

I) Quelques Notions

II) Le principe de fonctionnement du train sur rail magnétique

III) Les avantages de ce train

IV) Actualité et Avenir V) Annexe

VI) Lexique des notions

Introduction

Depuis le tout premier chemin de fer, peu de choses ont changées en termes de concepts techniques de base : les trains sont toujours soutenus, guidés et propulsés par les roues.

Mais un nouveau système de trains pourrait bien révolutionner les transports ferroviaires : ce sont les trains à lévitation magnétique, qui sont soutenus, propulsés et guidés par la seule force électromagnétique.

Ce nouveau concept présente de nombreux avantages grâce à sa technologie révolutionnaire dite de " non contact ". Mais concrètement, que peuvent apporter les trains magnétiques dans le domaine ferroviaire?

Nous allons développer notre étude autour des principaux sujets qui touchent à ce domaine, au fonctionnement, aux avantages, et à l'avenir de ces trains nouvelle génération.

Nous définirons dans un premier temps quelques notions de base essentielles, puis nous présenterons le fonctionnement des différents systèmes actuels. Ensuite, nous comparerons les trains magnétiques aux trains traditionnels afin d'en discerner les avantages. Enfin, nous ferons une petite conclusion après avoir présenté l'actualité de cette technologie ainsi que son avenir.

I) Quelques notions :

LE MAGNETISME

Un champ magnétique peut être créé par un aimant...

Mais aussi par un courant électrique car tout courant électrique crée autour de lui un champ magnétique. Un fil traversé par un courant produit un champ magnétique. L'électroaimant fonctionne selon le même principe : il comprend un nombre " n "

d'enroulements de fil de cuivre appelés spires. Plus il y a de spires, plus l'électroaimant est puissant. De plus, plus le courant qui traverse la bobine est intense, plus le champ

magnétique créé est puissant. On peut augmenter considérablement le champ magnétique en introduisant un noyau de fer à l'intérieur de la bobine.

LA SUPRACONDUCTIVITE

La supraconductivité est un phénomène qui se produit à de très basses températures et au cours duquel un métal perd toute résistance électrique (R=0) (voir graph. 1).

Dans ces conditions, les courants électriques traversent donc les métaux sans aucune perte d'énergie.

Aux températures naturelles sur terre, les métaux opposent une certaine résistance au flux des électrons, due à la vibration des atomes (ce qui provoque une perte d'énergie

par effet Joule). Mais à mesure que la température diminue, ces atomes vibrent de moins en moins et la résistance baisse lentement jusqu'à la température critique

spécifique à chaque matériau à laquelle elle tombe à zéro. Un courant peut ainsi circuler indéfiniment dans un circuit, du moment que ce circuit reste à une température

inférieure à la température de transition, c'est à dire la température en dessous de laquelle le matériau devient supraconducteur.

La plupart des températures de transition se situent entre 1 et 10 Kelvins au-dessus du

zéro absolu ( -273 a -263 °C ). Mais il existe des matériaux ayant des températures de transition plus élevées (voir graph. 2 et 3).

Ce phénomène permet aussi d'amplifier la force des champs magnétiques grâce au phénomène de diamagnétisme et d'obtenir une lévitation comme dans l'expérience

suivante : Expérience de Meissner :

LA LEVITATION MAGNETIQUE

Comme nous l'avons vu précédemment, une bobine traversée par un courant électrique produit autour d'elle un champ magnétique.

Ce champ peut être de deux sens différents en fonction du sens du courant qui le traverse.

Deux pôles de même sens s'attirent. Deux pôles de sens contraire se repoussent.

(Ne pas confondre sens avec signe). Afin de mettre en évidence ces champs magnétiques, nous avons réalisé l'expérience

suivante :

Pour trouver le nombre de spire total à faire autour du cylindre nous avons utilisé la formule suivante :

Nous voulions calculez N donc nous avons obtenu la formule suivante :

Au résultat final nous avons obtenu 650 spires

On peut remarquer que les quatre bobines chauffent avec l’experience. La chaleur dégagée lors de l'expérience rend compte de la perte considérable d'énergie qui se

produit, d'où l'intérêt de la supraconductivité.

II) Le principe de fonctionnement du train sur rail magnétique

LEVITATION ET GUIDAGE POUR LA SUSTENTATION MAGNETIQ UE

Le principe le plus utilisé pour faire " voler " ces trains est le système de sustentation. Le train n'est pas poussé, mais attiré vers le haut par des bobines situées sous la voie (en rouge) qui attirent les bobines situées sur le train (en bleu),et réciproquement, car elles

sont de même sens. Le train lévite alors environ 1 cm au-dessus de la voie.

Le guidage du train parallèlement à la voie se fait encore par des forces électromagnétiques, sans contact.

Les bobines de guidage de la voie sont situées sur les côtés de celles-ci, en face des bobines de guidage du train.

Voici un exemple de train à sustentation magnétique : Le Transrapid.

LEVITATION ET GUIDAGE POUR LA SUSTENTATION MAGNETIQ UE

L'autre principe utilisé est la lévitation magnétique. Cette fois ci, le train est repoussé par la voie vers le haut grâce à des bobines situées sur

la voie et sous le train. Ces bobines sont de sens contraires, donc, elles se repoussent.

Contrairement au système de sustentation, le guidage est assuré par les mêmes bobines que celles qui assurent la lévitation.

Ces bobines sont en fait en forme de 8 et ne sont pas alimentées en électricité. C'est le passage des aimants supraconducteurs du train (faits d'un alliage de nobium et de titane refroidis à -269°C par de l'hélium liquide) qui créé en elles un courant électrique, selon

le principe d'induction électromagnétique. Tandis que la partie inférieure de la bobine située sous la voie assure, comme nous

l'avons vu, la lévitation par répulsion, la partie supérieure de la bobine, située sur les côtés de la voie, assure le guidage, également par répulsion.

Avec ce système, pour des raisons de consommation, et surtout parce que le train doit déjà être en mouvement pour voler, la propulsion se fait par des roues d'avions pour des

vitesses inférieures à 100 km/h. Voici un exemple de train à lévitation magnétique : Le maglev japonais :

Grâce à ces jeux de bobines, les trains sont maintenant soulevés et guidés. Des ordinateurs reliés à des capteurs situés sur le train calculent automatiquement l'intensité

de courant nécessaire à la sustentation et au guidage.

PROPULSION

Comme nous l'avons vu dans l'introduction, depuis l'invention du train au début du XIXème siècle, les véhicules ont toujours été propulsés par des roues en contact avec les rails. La propulsion se faisait alors par une force mécanique exercée par le moteur sur

les roues. Pour les trains magnétiques, la propulsion s'exerce sans contact du train avec la voie,

par une force électromagnétique : c'est la technologie de non-contact.

La propulsion est assurée par un jeu d'attraction et de répulsion.

Les bobines du train restent du même signe et ce sont les bobines de la voie qui changent de signe afin que le train progresse le long de celle-ci.

Le moteur est en fait constitué comme un moteur électromagnétique classique dont on

aurait étiré le stator sous la voie de guidage.

Au lieu d'un champ magnétique rotatif, le courant génère une onde magnétique qui se déplace parallèlement à la voie, attirant ainsi le train.

ALIMENTATION

Afin d'éviter les pertes d'énergie, et d'augmenter la sécurité (comme nous le verrons plus loin), la voie est répartie en sections qui propulsent le train à tour de rôle.

• Pour le transrapid : elle se fait par des générateurs répartis en sections sous la voie et transmises par des cables à 20k volts.

le train n'est pas alimenté pour le déplacement (propulsion + lévitation + guidage).

• Pour le maglev, elle se fait de 2 manières : - Pour le guidage et la lévitaton par un générateur électrique situé dans le train

pour alimenter les bobines supraconductrices, mais surtout le maintenir à -269°C. Ces bobines situées dans le train jouant le rôle d'aimant supraconducteurs

induisent un courant dans les bobines de la voie en forme de 8 (principe d'induction).

- Pour la lévitation, elle se fait de la même manière que pour le transrapid, mais l'alimentation est plus puissante (38 MV alternatif triphasé) du fait du poids du train plus important et de la lévitation a 10cm au lieu d'1cm (à cause des risques

sismique au Japon).

FREINAGE

Une fois le train lancé, il faut pouvoir l'arrêter efficacement, étant donnée sa très grande vitesse. Ce freinage se fait encore sans contact.

Dans le cas du système de sustentation, le freinage se fait par ralentissement des ondes magnétiques qui tirent le train.

Dans le cas du système de lévitation, le freinage s'effectue par des aérofreins (en jaune) situés sur le train.

III) Les avantages de ce train

Dans cette partie, pour discerner les avantages des trains magnétiques par rapport au trains classiques, nous avons décidé de comparer le meilleur des trains magnétiques

actuels, le Transrapid, avec le meilleur système de train traditionnel représenté ici par l'I.C.E (Inter.City.Express), l'équivalant allemand du TGV français.

le Transrapid l'I.C.E

Notre étude comparative va porter sur les principaux domaines dans lesquels les trains peuvent influer sur notre vie et notre société :

• les performances • la sécurité

• la consommation • les coûts

• L'influence sur l'urbanisme et l'environnement

(sauf remarque, les caractéristiques du Maglev sont assimilables à celles du Transrapid).

LES PERFORMANCES

LA VITESSE :

Nous remarquons ici que la vitesse de croisière du Transrapid est beaucoup plus élevée que celle de l'I.C.E grâce à la marge de manoeuvre que lui laisse sa vitesse maximale qui

n'atteint ici "que" 500 km/h (car des tests restent encore à réaliser), alors que son concurrent sur rail est limité par les frottements et par le phénomène de décollage qui

devient très dangereux autour de 450 km/h.

L'ACCÉLÉRATION :

Encore une fois, le Transrapid est plus performant. Cette supériorité est due à l'absence

de frottement et à son faible poids. Cet avantage se révèle très utile sur de courtes distances.

ASCENSION :

Encore une fois grâce à la technologie de non contact et à son faible poids, le Transrapid remporte la manche. Cet avantage dans la montagne est loin d'être négligeable au

moment de calculer les tracés des futures voies.

VIRAGES :

Un autre domaine où le Transrapid sort vainqueur est celui des virages, qui peuvent être négociés en quelques centaines de mètres pour un train à lévitation magnétique contre

plusieurs kilomètres pour un train traditionnel.

FREINAGE :

Le Transrapid freine mieux que l'ICE et que tout les autres trains grâce au système

décrit précédemment.

LA SECURITE

Dans le domaine de la sécurité, le Transrapid est imbattable. Si le risque zéro n'existe pas, ce train l'approche fortement. En effet, sa structure qui enveloppe la voie rend

impossible les déraillements.

L'autre risque possible, à part le déraillement, est la collision. Mais ce danger est écarté car, selon les lois de la physique, le courant produit par les générateurs (Energy Supply)

ne peut pas circuler dans le circuit dans deux sens différents.

LA CONSOMMATION

La répartition des générateurs électriques le long de la voie (voir schéma ci-dessus), permet d'éviter une trop grande perte d'énergie alors que pour les trains électriques

classiques, l'énergie circule le long de câbles, subissant ainsi de fortes pertes.

Les avantages vus jusqu'ici (non-contact et faible poids) donnent encore l'avantage au Transrapid. L'économie d'énergie augmente même de façon exponentielle par rapport à

la vitesse.

De façon plus générale, on remarque ici que le Transrapid est très peu gourmand en

énergie par rapport aux moyens de transport les plus populaires.

LES COÛTS

INVESTISSEMENT :

Sur ce graphique représentant les coûts initiaux par double kilomètre de voie, on

remarque que le Transrapid et l'I.C.E sont à égalité. Cependant, le Transrapid ayant besoin de moins de kilomètres de voie en raison de ses meilleures performances en

montagne et de ses virages mieux négociés, l'avantage lui revient.

ENTRETIEN :

Au niveau des coûts d'entretien, grâce à la technologie de non-contact qui annule l'usure due aux frottements, le Transrapid surclasse encore son adversaire. En effet, ces coûts

sont divisés par trois par rapport à un train classique comme l'I.C.E.

INFLUENCE SUR L'HOMME ET SON ENVIRONNEMENT :

LE BRUIT :

On remarque ici que le Transrapid est nettement moins bruyant que tout ses

concurrents quelle que soit sa vitesse (Le Transrapid peut aussi servir de train urbain).Cet avantage réduit aussi les coûts de structures antibruit.

OCCUPATION AU SOL :

Sur ce graphique représentant les m²/m de voie occupés au sol par les deux trains, on

remarque que pour une voie au sol, ce taux est comparable. Toutefois, dès que l'on passe sur une voie surélevée pour le Transrapid (structure bien trop coûteuse et imposante pour un train classique), celui ci prend, encore une fois, un net avantage. Il lui est en

effet ainsi plus facile, pour un coût légèrement supérieur, de s'adapter aux villes et aux reliefs (et non le contraire, comme à Tours et dans de nombreuses grandes villes

européennes), tout en préservant les milieux qu'il traverse de grands bouleversements (écosystèmes coupés en deux, disparition d'habitats naturels et d'espèces sensibles…)

tout en permettant l'agriculture. A noter cependant que la voie du Maglev est beaucoup plus imposante (1) que celle du Transrapid (2).

(1) (2)

CHAMP MAGNETIQUE :

Les champs magnétiques et les ondes qui nous entourent sont un sujet de plus en plus inquiétant en raison du développement des nouvelles technologies. Ce graphique nous rassure en nous montrant à quel point le champ magnétique produit par le Transrapid

est faible par rapport à d'autres objets usuels. Il est toutefois important de souligner qu'il n'en est pas de même pour le Maglev japonais dont le champ magnétique peut

représenter un danger (à l'étude).

POLLUTION :

La pollution étant directement liée à la consommation d'énergie, il est normal que le

Transrapid ait ici aussi l'avantage sur l'I.C.E qui était déjà très bien placé en la matière par rapport aux autres moyens de transport.

TURBULENCE :

La forme du Transrapid a pu profiter de toutes les avancées technologiques des trains, des avions et du sport automobile en matière d'aérodynamisme. Il n'y a qu'une légère

rafale sur 2 mètres à 380 km/h.

CONFORT :

Grâce à la technologie de non contact et aux voies surélevées qui annulent les effets du relief, un voyage en Transrapid est très confortable. L'absence de moteur dans le train,

en plus de réduire les vibrations, libère un espace appréciable à l'intérieur.

IV) Actualité et avenir

ACTUALITE

Aujourd'hui, de nombreux projets sont étudiés pour une exploitation commerciale du Transrapid partout dans le monde, notamment en Allemagne, à Munich et sur une ligne

Berlin-Hambourg (très avancée), aux Pays-Bas, aux Etats-Unis, et à Shanghai. Le projet du Maglev japonais, moins avantageux, et que les japonais se refusent à exporter, n'a d'avenir promis qu'au Japon où il est tout de même bien adapté aux

conditions locales (risques naturels). Alors que d'autres tentatives ont échoué, comme en Corée, où le train n'avançait qu'a 40 km/h, un projet s'annonce comme le futur concurrent du Transrapid : Le Swissmetro.

Développé en Suisse uniquement sur une portion d'essai de 20 km, il semble réalisable et permettrait des performances plus élevées que le Transrapid grâce à un réseau

entièrement souterrain de tunnels dans lesquels serait réalisé un vide d'air partiel, permettant d'approcher le mur du son ( mach 1 = 1200 km/h). La propulsion se ferait par moteurs électriques linéaires classiques (3) tandis que la sustentation et le guidage seraient magnétiques (4 et 7). L'autre nouveauté de ce projet est le transfert d'énergie

sans contact (1).

L'AVENIR

Les performances des trains magnétiques donnent des idées à de nombreux industriels. Mais les projets proposés sont peu sérieux, comme AVT (Etats-Unis), qui propose de

faire tourner un train perpétuellement dans un tunnel dans lequel serait réalisé un vide d'air presque total et auquel on accèderait par des navettes.

Malgré tout, les développements en cours des recherches effectuées permettront, en même temps que de faire décoller les trains en leur promettant un bel avenir,

d'appliquer cette technologie pour les décollages d'avions, notamment dans des conditions difficiles (haute montagne, porte avions…), pour transporter rapidement des

hommes et du matériel de secours en montagne, ainsi que dans le monde du cinéma.

Reponse a la problématique

Aux vues de leurs performances et de leurs nombreux avantages sur les trains traditionnels, les trains magnétiques ont tout pour être l'un des moyens de transport de

demain, malgré les progrès des trains à grande vitesse électriques (voir photo 1 p.26). En plus d'apporter de nouveaux avantages au domaine ferroviaire comme de meilleures performances, une sécurité presque infaillible, une réduction des coûts et un meilleur

respect de l'homme et de son environnement, ils révolutionnent ce domaine collé au sol depuis près de deux siècles en lui ouvrant de nouveaux horizons. Les pays de l' O.P.E.P,

qui ont tout intérêt à ce que les grosses et puissantes locomotives diesels ne soient pas remplacées, ainsi que les coûts colossaux que demanderaient la réalisation de lignes de trains magnétiques non compatibles avec le reste du réseau sont les seuls obstacles qui s'opposent encore à ce projet. Mais même dans un monde dirigé par l'argent, on peut

encore espérer que la vie et la protection de la nature ainsi que le développement

durable dont on parle beaucoup actuellement valent plus que quelques dollars. Maintenant que les scientifiques ont réussi leur pari, l'avenir de ces trains " nouvelle

génération " repose désormais entre les mains des hommes politiques et des financiers... En conclusion :

Aux vues de leurs performances et de leurs nombreux avantages sur les trains traditionnels, les trains magnétiques ont tout pour être l'un des moyens de transport de demain, malgré les progrès des trains à grande vitesse électriques (voir photo 1 dans l’annexe). En plus d'apporter de nouveaux avantages au domaine ferroviaire comme de meilleures performances, une sécurité presque infaillible, une réduction des coûts et un meilleur respect de l'homme et de son environnement, ils révolutionnent ce domaine collé au sol depuis près de deux siècles en lui ouvrant de nouveaux horizons. Les pays de l' O.P.E.P ( Organisation des Pays Exportateurs de Pétrole), qui ont tout intérêt à ce que les grosses et puissantes locomotives diesels ne soient pas remplacées, ainsi que les coûts colossaux que demanderaient la réalisation de lignes de trains magnétiques non compatibles avec le reste du réseau sont les seuls obstacles qui s'opposent encore à ce projet. Mais même dans un monde dirigé par l'argent, on peut encore espérer que la vie et la protection de la nature ainsi que le développement durable dont on parle beaucoup actuellement valent plus que quelques dollars. Maintenant que les scientifiques ont réussi leur pari, l'avenir de ces trains " nouvelle génération " repose désormais entre les mains des hommes politiques et des financiers...

V) Annexe graphique 1 : Résistance électrique en fonction de la température. (température de curie

= température critique)

Graphique 2 : Température critique des matériaux supraconducteurs.

Graphique 3 : Température critique de matériaux supraconducteurs en fonction de leur année de découverte.

photo 1 :

L'AGV d'Alstom, l'un des futurs concurrents sur rai ls des trains magnétiques, de même que le nouveau train développé par Talgo et Bombardier (Espagne). Ces trains

devraient atteindre rapidement 350 km/h de vitesse de croisière.

VI) Lexique des notions

BOBINE :

c'est un terme générique en électronique pour désigner un composant formé de un ou

plusieurs, voir une multitude de spires de fil autour d'un noyau. (Ce noyau peut être vide ou, en un matériau favorisant l'induction magnétique genre ferrite, afin d'augmenter la

valeur d'inductance). C'est donc un dipôle auto inductif linéaire qui est caractérisé principalement par son inductance, mais également par une résistance électrique (celle du

fil utilisé, a priori faible), mais principal responsable des pertes.

DIAMAGNETISME PARFAIT :

On emploie le terme de diamagnétisme parfait pour désigner le comportement des

supraconducteurs qui créent en leur sein des courants induits qui s'opposent à toutes variations de champ magnétique. Cette propriété est utilisée pour produire la lévitation

magnétique des supraconducteurs.

EFFET JOULE :

c'est la manifestation thermique (chaleur) de la résistance électrique. Il se produit lors du

passage d'un courant électrique dans tous matériaux conducteurs, à l'exception des supraconducteurs qui nécessitent cependant des conditions particulières.

EFFET MEISSNER :

En 1933, Meissner et Ochsenfeld ont découvert une propriété supplémentaire des

supraconducteurs: l'effet Meissner. Ils ont montré que les supraconducteurs, pour une température (T) inférieure à Tc (température critique), possèdent non seulement une

résistance électrique nulle mais également un comportement de diamagnétique parfait. En d'autres termes, cela signifie qu'en dessous de Tc, les supraconducteurs sont imperméables aux champs magnétiques. L'effet Meissner constitue la base du phénomène de lévitation

magnétique.

LEVITATION MAGNETIQUE :

ce principe permet de faire " flotter " un objet grâce au champ créé par deux aimants. La

lévitation est en fait un phénomène de répulsion : les deux aimants se repoussent.

MAGLEV :

Le Maglev (" Magnetic Levitation Train ") est le fruit de la combinaison de la technologie

des supraconducteurs avec celle des moteurs linéaires.

RESISTANCE ELECTRIQUE :

c'est une propriété physique qui désigne l'aptitude d'un conducteur à s'opposer au passage du courant électrique. La résistance est responsable d'une dissipation d'énergie sous forme

de chaleur. Cette propriété porte le nom d'effet Joule. Cette production de chaleur est parfois un effet souhaité (résistances de chauffage), parfois un effet néfaste (pertes joules).

SUPRACONDUCTEUR :

c'est un matériau qui, lorsqu'il est refroidi en dessous d'une température critique, présente deux propriétés caractéristiques : une résistance nulle (le passage du courant électrique se fait sans dissipation d'énergie : pas de perte d'énergie par effet Joule) et diamagnétisme

parfait.

SUPRACONDUCTIVITE :

c'est la propriété que possèdent certains matériaux de conduire le courant électrique sans résistance à condition que leur température soit inférieure à une certaine valeur appelée température critique (Tc). Ils s'opposent également à tout champ magnétique externe. En

somme, ce phénomène électromagnétique est caractérisé par l'absence de résistance électrique et l'annulation du champ magnétique à l'intérieur du matériau (ce phénomène de diamagnétisme parfait est appelé effet Meissner). La supraconductivité conventionnelle

intéresse des températures très basses proches du 0 Kelvin (soit -273°C).

SUSTENTATION MAGNETIQUE :

état d'un corps maintenu à faible distance au-dessus d'une surface et sans contact avec elle

grâce à un champ magnétique.

TEMPERATURE CRITIQUE :

En dessous d'une certaine température, appelée température critique Tc, certains

matériaux deviennent des supraconducteurs : leur résistivité (ou résistance) devient non mesurable, elle est considérée comme nulle.