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)