超伝導のエネルギー応用と磁束ピン止め

１．超伝導とは

　　超伝導現象は1911 年にオランダの物理学者カマリン・オンネス によって，水銀（転移温度=約-270℃）で発見されました． この現象がどうして起こるのかは，長い間未解決の問題でしたが， 1957 年，バーディーン・クーパー・シュリーファーの３人の物理学者によって理論的に説明 されました．この理論を３人の頭文字を取ってBCS理論といいます．３人は， この理論でノーベル賞を取りましたが，バーディンは半導体でも２つ目のノーベル賞を取って います．彼は物理学科ではなく電子工学科の出身だったこともつけ加えておきましょう． しかし，この理論は解決するのに45年もかかっただけあって，非常に難しいので， それについて説明するのはやめて，ここでは，超伝導を用いた応用の話をしましょう． 　

　ところが送電線に電気抵抗がゼロの超伝導体を使うと，途中でのエネルギーの損失 がないため，エネルギーの節約ができます．また，一度流した電流は，いつまでたっても 小さくならないので，電力を蓄えておくことができます．地下に超伝導線を埋めて， 電力を貯蔵しようとする計画もあります．

　導線をぐるぐる巻いてコイルにし，電流を流すと磁場が発生します．この導線を 超伝導体で作ると，エネルギーの消費がないので，少ない電力で強力な磁場を 作ることができます．すなわち，小さな装置で強力な磁場を発生することができるのです． この強力磁場を利用したのが，磁気浮上列車（リニアモーターカー）や 超伝導推進船です．また，核融合炉や加速器用の電磁石など 研究用のほか，ＮＭＲ診断などの医療用にも幅広く使われています．

　　第１種，第２種のいずれの場合も超伝導の領域がつながっているので，電気抵抗はゼロです． ただ違うのは，第１種のほうは磁場を強くしていくと，あるところで突然全体が正常状態 （電気抵抗のある状態）になるのに対し， 第２種の方は先に正常状態を作っていくので，磁場を強くしていっても正常状態の体積が増えるだけで， 電気抵抗ゼロの状態が続くというわけです．ですから，できるだけ大きな磁場を，エネルギーの損失なしに 発生させたければ，第２種の超伝導体を使う方が有利だということがわかるでしょう．

　　でも，何とか磁束が運動を始めるのを押さえてしまえば大丈夫です．それを 磁束のピン止めといいます．磁束は正常状態の部分に居ようとする性質があるので， 結晶中に欠陥などの正常状態の部分を作ってやれば磁束をピン止めさせることが できます．でも，電流に比例して ローレンツ力は大きくなるので，電流を増やしていくと，あるところでピン止めする力が限界に達して， 磁束が動き出してしまい，電気抵抗が発生します．その電流の大きさを臨界電流といい， 超伝導材料の特性を表す重要な量となっています．この臨界電流が大きいほど，たくさんの電流を 流せるので，強力な超伝導電磁石を作ることができます．