原理

皆さんは磁気浮上という言葉を聞いたことはありますか…？
そもそも磁気浮上とは何かというと磁力のみによって物体を空中にとどまらせる方法のことです。
その方法は様々ありますが、今回私たちが実験した超伝導浮上について説明していきます！

超伝導とは

超伝導とは物質の電気抵抗がゼロになる現象のことを言います。また、この現象は低温の時にしか見られません。
この時の温度を、超伝導転移温度 (臨界温度)、 この状態にある物質のことを超伝導体と呼びます。
そして超伝導は様々な性質を持っています。今回は超伝導浮上には欠かせない性質を説明したいと思います！

1.マイスナー効果

超伝導転移温度 (臨界温度) 以下で、磁束が超伝導体の外へ追出されて完全反磁性になる性質です。
図１(左)のように磁場のなかに超伝導体をおくと、磁場は超伝導内を通らず、磁場を超伝導体の中から外に押し出します。
このため超伝導体に磁石を近づけると、反発して離れようとします。
しかし、磁場が強くなるにしたがってこれに抗して磁場を排除し続けることは難しくなります。
臨界磁場と呼ばれる強さの磁場が加わると超伝導体が壊れてしまうか、部分的に壊れて磁場が超伝導体の内部に侵入します。
前者のように磁場の上昇に伴って一気に超伝導体が壊れるものを第一種超伝導体、
後者のように超伝導体の一部が壊れて磁場を受け入れるものを第二種超伝導体といいます。実用的な超伝導体のほとんどは第二種超伝導体です。

2.ピン止め効果

ピン止め効果といえば図１(右)のように常伝導部分に磁力線がピンのように刺さって超伝導体を安定させているという説明をよくされます。
このイメージだと超伝導は串刺し状態で動かなくなってしまうのではと想像してしまうと思います。
しかし、実際には串刺しというイメージではなく、超伝導体にかかっている磁束密度を一定に保とうとしているイメージです。
かかっている磁場が一定であれば、動くことも可能です。

図１　(左)マイスナー効果(右)ピン止め効果

番外編　吊り下げ

磁気浮上には用いられない原理ですが、吊り下げというものがあります。
先ほどピン止め効果で説明した通り、超伝導体は磁束密度が変わることを嫌います。
なので磁石から離れてと磁束密度が変わることを防ごうと、磁石についたまま保とうとします。これによって吊り下げという現象が起きます。
動画のように超電導体の塊に磁石を近づけてから、持ち上げると、特定の間隔を保ちながら超電導体をつり上げることが出来ます。
←吊り下げの動画です！

今回、超伝導体を加速させえるために使ったコイルによる加速器についても説明したいと思います。

コイルによる磁場の発生

今回は空芯のコイルに電流を流して磁場を発生させました。

ソレノイドが作る磁場

ソレノイドとは導線を密に長く巻いた円筒形のコイルのことをいいます。
図２のようにソレノイドに電流を流すと磁場が発生します。
ソレノイドがつくる磁場Hは電流Ｉ[A] と、単位長さ当たりの巻き数が n [回/m]で
　　H=n×I　と表され、電流が大きいほど磁場も強くなります。

図２　ソレノイドが作る磁場