超伝導ジェットコースター 11 班竹村玲哉１．はじめに近年リニアモーターカーなどで脚光を浴びている超伝導は 1911 年に発見されて以来１），今日特に発展が期待されている分野である．そこで私は超伝導を用いた実験を行い，超伝導について簡単に説明するとともに，これを使った新たな移動機構を検討する．２．理論 2.1 超伝導超伝導とはある物質が非常に低い温度 (20 Ｋ程度)で電気抵抗が 0 になる現象のことをいう．このときの物質を超伝導体と呼ぶ．超伝導体には 2 種類ある．まず，第一種超伝導体は純粋な超伝導体であり，後に説明するマイスナー効果を示す．次に第二種超伝導体だがこれは不純物が微量含まれており，マイスナー効果だけでなくピン留め効果も示す．超伝導体が電気抵抗を失う温度を転移温度という．電気抵抗が 0 になる理由は確立された理論ではないためここでは省く．高温で超伝導に達するものを高温超伝導体と呼ぶ 1)2)． 2.2 マイスナー効果抵抗のない完全導体だと金属中の磁束密度は変化しない．このことから磁界が印加されると，それを打ち消す向きに磁界を生じさせる．この磁界と印加された磁界の合計が図 1 右のような磁界になる．ところが抵抗のない導体では図 1 左下のように常伝導時に磁界を印加し，その後冷却し印加磁界を取り除くと導体内に磁束が残ってしまう．しかし第一種超伝導体はどちらの場合でも図 1 のように 3）磁束密度を侵入させない完全反磁性を示す．このことをマイスナー効果と呼ぶ 1)2)．図1 マイスナー効果図2 ピン止め効果 2.3 ピン止め効果第一種超伝導体と第二種超伝導体の違いは不純物を含むところにある．第一種超伝導体は印加磁界が臨海磁界 Hc を超えると磁束が超伝導体を貫いてしまうため，常伝導に戻ってしまう．しかし第二種超伝導体には印加磁束が不純物を貫く下部臨界磁界 Hc2 と超伝導体部を貫く上部臨界磁界 Hc1 の 2 種類の境界があり，この間の領域は混合状態と呼ばれる．第二種超伝導体が混合状態にあるとき図 2 のように 4）安定して浮上する．この現象をピン止め効果という 1)2)．３．実験装置と材料実験材料として図 3 のガドリウム系の超伝導体バルク(φ28 mm，高さ 10 mm，36.5 g)，スペーサー(厚さ 2mm,4.8 mm)，ネオジム磁石(20 mm×20 mm×10 mm×50 個 ) ，鉄板 JISG3141(25 mm×400 mm×0.5 mm,4 個)，発泡スチロール,液体窒素を使用した．図 4 の断熱材の作成においては浮上時に傾いてしまわないように，ネオジム磁石と超伝導体との距離を一様にする必要があった．そのため発砲スチロールの底面を水平に掘った． 5mm 図 3 超伝導体バルク 15mm 図 4 断熱材図 7 Ａ部での浮上走行 100mm 図 5 ネオジム磁石レール図 6 冷却時の様子図 5 のように実験装置を組立てた．ここで磁界の向きは統一する．なおこの装置を作る際に磁石同士の吸着が強く，磁石を配置することが非常に困難であった．また図 5 のように第一斜面をＡ部,ループ手前の部分をＢ部と設定する．４．実験方法まず断熱材である発泡スチロールの容器に超伝導バルクをいれ蓋をし，固定した．次に図 6 のようにネオジム磁石の上にスペーサーをのせ，その上に超伝導体をのせた．液体窒素を断熱材の注ぎ口から注入し冷却を開始した．ピンセットで磁力が生じているか様子を見ながら約 10 分冷やし続け，スペーサーを取り除いた．浮上を確認した後，力を超伝導体に加え，初速を与えて磁石レールの上を走行するか検証した．二種類のスペーサーを用いて行った．５．結果と考察 2 種類のスペーサーで浮上させることができた．しかし，4.8 mm のときは安定せず，また着磁力も弱くＡ部で脱線してしまった． 2 mm のスペーサーでは安定して浮上することができ脱線することもなかった．しかし着磁力が強くスムーズに走行することができなかったため，手で力を加えることで不安定ながらも走行させることができた．図 7 のようにＡ部を通過することができたがＢ部であるループに達する前で停止してしまった．図 8 は超伝導体を強引に移動させたとのものである．これらの結果から不安定な走行になってしまう原因の一つとして，磁石間の距離が考えられる．今回の実験装置ではネオジム磁石を同じ極が上向きになるよう配置した．そのため磁石間で強い反発力が働き図 8 ループ部での浮上 10 mm～15 mm 程度の間隔が空いてしまった．これにより磁場が一様にならずスムーズな走行ができなかったと考えられる．これを解決する方法としてまずネオジム磁石の大きさの変更である．縦長のネオジム磁石ならば一様磁場になりやすいと考えられる．しかし磁石が大きくなればなるほどレールの加工が困難になるというデメリットも存在する．そのためレールを作成する際に緻密な設計，加工技術が必要になる．次に超伝導体を小さくすることが効果的だろう．そうすることで磁束の弱いネオジム磁石でも浮上させることができるため，磁石間の反発を抑えることができる．今回は安定したスムーズな走行ができなかったが一様な磁場を実現できれば，新たな遊園地のアトラクションとして，または宙に浮くスケートボードとして超伝導が活躍するかもしれない．６．おわりに本研究から分かったことは以下のとおりである．・磁場を一様にするためネオジム磁石は縦長にする. ・その際，超伝導体を小さくする. ・一様磁場が実現できれば新しい移動機構として活躍できる. 参考文献 1) A.W.B.TAYLOR，田中節子，超伝導，共立出版株式会社 (1988) 2) A.C ローズ-インネス，E.ロディリック，島本進，安河内昂，超伝導入門，産業図書株式会社(2000) 3) 超伝導体とは何か？ http://www.material.cs.kumamoto-u.ac.jp/sup su1.html (2014/12/24 アクセス)