JPH0622865Y2 - 超伝導の教習具 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この考案は、超伝導体が持つ特有の性質を生徒、児童ら
に現象面で呈示し、超伝導体について理解を得させるた
めの一助とする教習具に関する。

〔従来の技術〕

比較的高い臨界温度を持った新しい超伝導性物質の探索
は、これまで主に金属分野においてなされ、単体金属や
合金、化合物について多くのものが見い出されている。
そして、最近になって、超伝導性物質の探求は、酸化物
や硫化物等の無機化合物や、さらには有機物へと向かっ
ており、本来は絶縁性物質に近い酸化物にも導電性を示
す物質が相当な数存在し、そのうちの数種の物質におい
て超伝導性が見い出されている。この酸化物超伝導体の
発見によって、液体窒素の液化温度である７７゜Kを越え
るような比較的高い臨界温度を持つ、例えばイットリウ
ム系の酸化物超伝導体の実用化への試みが活発化しつつ
ある。

そのような情勢に伴なって、超伝導体の特有の性質を生
徒、児童らに現象面で示し、それについての理解に役立
てるための教材も、一部では既に市販されている。

〔考案が解決しようとする問題点〕

ところが、それらは、超伝導体に磁石を接近させ、その
磁石が、外からの磁場を完全に排除して内部の磁束密度
を常に０に保つ、いわゆるマイスナー効果により反発力
を受けて浮上する現象を示すことによって、超伝導体が
完全反磁性体であって磁気遮断効果があるといった点を
説明するためのものが殆どである。しかしながら、超伝
導体には、周知の通り、一定の温度（臨界温度）におい
て電気抵抗が０になって大電流が電力損失なく流せると
いったもう１つの大きな特徴があるが、このような特質
を現象として示すことができるような教材は従来存在し
ない。

この考案は、このような事情に鑑みてなされたものであ
って、超伝導体が有するところの、臨界温度において電
気抵抗が０になる性質と完全反磁性体となる性質の両方
を、１つの器具、１回の実験で現象として呈示すること
ができる教習具を提供することを技術的課題とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この考案は、板状に成形された第１の超伝導体の一面側
に４個の電極を配設し、それら各電極にそれぞれ定電流
電源接続用の２本のリード線及び測定器接続用の２本の
リード線を個別に接続し、且つ前記第１の電極配設面側
に、電極保護用シール材を介在させてその上に上記第１
の超伝導体と同一平面形状の保護板を重ね合わせ、更に
その周面に上記リード線の挿通孔を有するリング状の上
記超伝導体の保持具と、リング状のカバー体と、直流定
電流電源の引き出し線を接続したラグ板と測定器の引き
出し線を接続したラグ板とを設けると共に、保護板を重
ね合わせた上記第１の超伝導体を保持具に載置し、その
上に上記カバー体を載せ、上記リード線を保持具の挿通
孔を通してそれぞれのラグ板に接続し、更に上記保持
具、カバー体及びラグ板にはねじ棒を挿通し、且つ該ね
じ棒にナットを螺着して固定して超伝導の教習具を構成
することにより、上記課題を達成した。

〔作用〕

上記のように構成された超伝導の教習具を使用して実験
を行なうには、まず、２本のリード線を定電流電源に接
続して超伝導体の対向する一対の電極間に一定の直流電
流を流すとともに、他の２本のリード線を測定器、例え
ば直流電圧計に接続する。この場合、常温における常伝
導状態においては、超伝導体は相応の電気抵抗を持って
いるので、その電気抵抗による電圧降下分の電圧値が直
流電圧計に指示され、その電圧値からオームの法則によ
って超伝導体が有する電気抵抗値が算出される。

次に、超伝導体を液体窒素に浸漬させると、超伝導体の
温度が低下するに伴って電圧計の指示が次第に低くなっ
てゆき、臨界温度に達した時点、すなわち超伝導状態に
なった時点で電圧計の指示値が急激に小さくなって０ボ
ルトを指示する。以上のことによって、超伝導状態にお
いて超伝導体の電気抵抗が０になったことが現象として
具体的に呈示される。

そして、超伝導状態の上記超伝導体を液体窒素から引き
上げて水平に保持し、その超伝導体に磁石を上方から接
近させると、磁石はマイスナー効果により反発して浮上
するので、このことから、超伝導状態において超伝導体
が完全反磁性体であることが現象として具体的に呈示さ
れる。

なお、この考案に係る教習具はその径が５〜６cmで、そ
の径が10cm程度の容器内に収容された液体窒素中にピン
セット等で浸漬して超伝導体の電気抵抗のゼロを観測
し、更に液体窒素より引き上げてマイスナー効果を観測
するが、この考案においては第１の超伝導体の電極配設
面側に保護板を重ね合わせ、更にこれらをカバー体と保
持具との間に挟持して固定されているため、これらの観
測中にも超伝導体の表面が損傷を受けたり、電極が脱落
することがなく、取扱が容易である。

また、この考案では４個の電極に接続されるリード線は
直接電源乃至測定器に接続するのではなく、保持具の底
面に螺着されたラグ板に保持具の周面に形成された挿通
孔を通して接続されているため、電極と離れ難く、上述
のような液体窒素中での電気抵抗ゼロの観測、液体窒素
から引き上げてのマイスナー効果の観測が容易に行われ
る。

更に、定電流電源と測定器からの引き出し線は一般の配
線材料で構成されているため、耐寒性がなく、液体窒素
中への浸漬を繰り返すうちに脆化され易いが、この考案
ではこれら引き出し線を保持具の底面にねじ棒とナット
により螺着されたラグ板に接続されているため、脆化し
た引き出し線の補修が容易に行うことができる。

なお、この考案において第１の超伝導体の電極配設面側
に重ね合わせる保護板としては黒色ベーク板、或は透明
アクリル板などを使用することができるが、第１の超伝
導体と同一平面形状の第２の超伝導体を使用してもよ
く、第２の超伝導体を使用する場合には第１の超伝導体
における超伝導特性の特性のバラツキを是正することが
できる。

〔実施例〕

以下、この考案の好適な実施例について図面を参照しな
がら説明する。

第１図は、この考案の１実施例を示し、超伝導体の教習
具を分解して表わした斜視図であり、第２図は、その主
要部を示す側面図である。これらの図において、符号
１、２はそれぞれ被測定物であるイットリウム系の酸化
物超伝導体であり、これらは、例えば粉末を焼結して固
形化し、直径が３０mmで厚さが５mmの円板形状に成形し
たものである。これら両超伝導体１、２は、同一平面形
状を有しており、第１の超伝導体１の一面側には、直流
四端子法による抵抗測定のための４個の電極（図示せ
ず）が設けられている。その４個の電極のうちの隣接す
る２個の電極にはそれぞれ電源用リード線４、５が接続
されているとともに、他の２個の電極にはそれぞれ測定
用リード線６、７が接続されている。そして、第１の超
伝導体１の電極配設面側に、前記各電極を保護するため
のシール材３が塗着され、そのシール材３の上に第２の
超伝導体２が重ね合わされている。

上記のようにして互いに重合された両超伝導体１、２が
リング状の保持具８上に載置されるとともに、各リード
線４〜７がそれぞれ保持具８の各挿通孔８Ａを挿通して
下方に引き出されている。また、リング状のカバー体９
が、そのカバー体９の下面側に垂設された４本のねじ棒
10を保持具８の４個の取付孔８Ｂに貫通させて、第２の
超伝導体２上に載置されている。そして、保持具８の各
取付孔８Ｂから突出した各ねじ棒10の先端部に、各リー
ド線４〜７の端部がそれぞれ接続されたラグ板11を挿通
させてから、各ナット12をそれぞれ螺合させ、両超伝導
体１、２を保持具８とカバー体９とによって挾持し固定
している。

各ラグ板11には、それぞれ引出し線13〜16が接続され、
電源用リード線４、５にそれぞれ電気接続された引出し
線13、14を直流定電流電源17に接続し、また測定用リー
ド線６、７にそれぞれ電気接続された引出し線15、16を
直流ミリボルト計18に接続している。

次に、上記構成の教習具を使用して超伝導体１、２の特
徴的な性質を確認するための実験を行なう手順について
説明する。まず、常温状態において直流定電流電源17か
ら１アンペア程度の直流電流を超伝導体１に流す。超伝
導体１は、この実施例で示されている、直径が３０mmで
厚さが５mmの形状、大きさのものにあっては、常温時に
数ミリオームの電気抵抗を有している。従って、その抵
抗による電圧降下分の電圧値が直流ミリボルト計18に指
示される。その指示電圧値と供給された電流値とから、
オームの法則に基づいて抵抗値を算出することができ
る。

次に、各引出し線13〜16を持って、保持具８とカバー体
９とで挾持固定された超伝導体１、２を液体窒素中に浸
漬させると、超伝導体１、２の温度が次第に低下してゆ
き、それに対応して直流ミリボルト計18の指示値が小さ
くなってゆく。ここで、イットリウム系の酸化物超伝導
体の臨界温度は、液体窒素の液化温度である７７゜Kより
高いので、超伝導体１、２の温度は、やがて超伝導体
１、２の臨界温度である９０゜Kにまで達する。そして、
超伝導体１、２がその臨界温度に達した時点で、超伝導
体１、２の電気抵抗値が急激に小さくなって、終には０
になる。従って、直流ミリボルト計18の指示値は０とな
り、それにより、超伝導体１の電気抵抗値が０になった
ことを明確に視認することができる。尚、マイクロボル
トまで測定可能な直流電圧計を用いれば、さらに高精度
下に実験を行なうことができる。

続いて、超伝導状態にある超伝導体１、２を液体窒素か
ら引き上げて水平に保持した後、第２図に示すように、
直径が１０mm、厚みが１mm程度の円板状の磁石19を超伝
導体１、２に接近させると、超伝導状態の超伝導体１、
２によるマイスナー効果により磁石19が反発力を受け、
磁石19は、第２図において二点鎖線で示したように僅か
に浮上させられる。この現象により、超伝導状態の超伝
導体１、２が完全反磁性体であることを確認することが
できる。そして、時間の経過に伴って、超伝導体１、２
の温度が上昇してゆき、それに伴って直流ミリボルト計
18の指示値が０から徐々に大きくなってゆくとともに、
磁石19が浮上しなくなり、このことによって、超伝導体
１、２が液体窒素に浸漬されていた時に超伝導にあった
ことを知ることができる。

この考案の超伝導の教習具は上記したように構成されて
いるが、この考案の範囲は上記説明並びに図面の内容に
よって限定されるものではなく、請求範囲を逸脱しない
限りにおいて種々の変形例を包含し得る。例えば、上記
実施例における第２の超伝導体２を透明な材料で形成
し、かつシール材３として透明なものを使用するように
すれば、直流四端子法による抵抗測定のための電極の取
付け位置を明確に視認することができる。また、上記実
施例における第２の超伝導体に代えて、第１の超伝導体
と同一平面形状の、例えば黒色ベーク板、或いは透明ア
クリル板などを使用しても良い。さらにまた、超伝導体
の側面に孔を穿設してその孔に温度センサの検出端を埋
め込むようにすれば、実験中に温度計測を同時に行なう
ことができ、これによって、超伝導体の電気抵抗値が臨
界温度で急激に低下して０となる現象を明確に示すこと
ができる。

〔考案の効果〕

この考案は以上説明したように構成されかつ作用するの
で、この考案の超伝導の教習具を用いて酸化物超伝導体
についての実験を行なうときは、マイスナー効果による
完全反磁性の現象の確認の他、電気抵抗値の測定を同時
に行なうことによって、超伝導体の超伝導状態における
もう１つの大きな特徴であるところの、超伝導状態の超
伝導体の電気抵抗値が０になる現象を確認することがで
き、生徒、児童らに超伝導体についての理解を得させる
ことに大いに役立つ。

【図面の簡単な説明】

図はこの考案の１実施例を示し、第１図は、超伝導体の
教習具を分解して表わした斜視図、第２図は、その主要
部の側面図である。 １……第１の酸化物超伝導体、 ２……第２の酸化物超伝導体、 ３……シール材、４〜７……リード線、 17……定電流電源、 18……直流ミリボルト計（測定器）。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】板状に成形された第１の超伝導体の一面側
   に４個の電極を配設し、それら各電極にそれぞれ定電流
   電源接続用の２本のリード線及び測定器接続用の２本の
   リード線を個別に接続し、且つ前記第１の電極配設面側
   に、電極保護用シール材を介在させてその上に上記第１
   の超伝導体と同一平面形状の保護板を重ね合わせ、更に
   その周面に上記リード線の挿通孔を有するリング状の上
   記超伝導体の保持具と、リング状のカバー体と、直流定
   電流電源の引き出し線を接続したラグ板と測定器の引き
   出し線を接続したラグ板とを設けると共に、保護板を重
   ね合わせた上記第１の超伝導体を保持具に載置し、その
   上に上記カバー体を載せ、上記リード線を保持具の挿通
   孔を通してそれぞれのラグ板に接続し、更に上記保持
   具、カバー体及びラグ板にはねじ棒を挿通し、且つ該ね
   じ棒にナットを螺着して固定したことを特徴とする超伝
   導の教習具。