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超伝導ジェットコースター

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超伝導ジェットコースター
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)
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