電気

【電気】超電導って何?原理や使い道は?

投稿日:

科学技術系のニュースで「超伝導」という言葉を見かけることがありますよね。また産業分野では電力分野で「超電導技術」の紹介がされることがあります。

最近では、リニアモーターカーに利用される技術ということで注目を集めています。

今回は超電導の現象と用途について解説したいと思います。

超電導現象とは

特定の金属を冷却していくと、ある温度から急激に電気抵抗が下がりゼロになる現象が知られています。

超電導現象とは、次の2つの性質から説明されます。

  • 電気抵抗がゼロになる
  • マイスナー効果

それぞれについて詳しく解説します。

電気抵抗がゼロになる

1つ目が、電気抵抗がゼロであることです。電気に関する法則を思い出していただきたいのですが、

$$V=RI$$

$$P=VI=RI^2$$

V:電圧[V] R:抵抗[Ω] I:電流[A]

という関係がありますよね。

物体に電流が流れるときには、そのエネルギーの一部が熱として放出され、その度合いは物質の抵抗により決まります。電気抵抗がゼロということは、いくら電流が流れても電圧が変わらない、電力が消費されないので無駄なエネルギーが消費されないということを意味しています。

マイスナー効果

(引用:Wikipedia「マイスナー効果」

2つ目がマイスナー効果です。

マイスナー効果とは外部から磁場をかけても、超電導体は磁力線を弾き、反発するという性質のことを指します。この現象から、磁石と反発するという性質(反磁性)を持ちます。1933年にドイツの物理学者によって発見、命名されました。

超電導現象は冷却すれば全ての金属で見られるわけではありません。最初に超電導の性質が発見されたのは水銀(-269℃)で、そこからより性能の良い(超電導の性質を持つ温度が高い)金属として、様々な銅酸化物系(-190 ~ -140℃)や鉄系超電導体(-247 ~ -218℃)が報告されています。新たな材料の探索や、超電導のメカニズムについての研究は現在も盛んに行われています。

一方、銀や銅など、電気伝導度の高い金属は超電導体にはならないことが知られています。

また日本語には「超電導」と「超伝導」という2つの表記方法があるようですが、両者に違いはないそうです。調べてみたところ、産業・工業系では「超電導」理学系では「超伝導」が使われる傾向にあるとのことでした。ちなみに英語はSuperconductivityの一つだけです。

超電導の原理

温度を下げるとなぜ超電導現象が起こるのか、これを理解するには量子力学の専門知識が必要になるので、簡単にご説明します。

金属に電流が流れる際、金属内の電子の流れは通常バラバラで、電子同士がぶつかり合って、熱を生み出します。これを電気抵抗と考えてください。

温度を下げて超電導現象が発生すると、電子同士が対になることで、同じ方向を向き(位相がそろい)抵抗なしに電気を流すことができるようになるということです。

マイスナー効果の原理について、簡単に解説すると、超電導体は電気抵抗がゼロであることに対し、磁場の変化もゼロにする力が働くことに由来します。外部から磁場がかかっても、超伝導体の表面に電流が流れることで逆向きの磁場を発生させ、全体の磁場変化はなくなります。そのため、超電導体は磁石を寄せ付けない性質を持つことになります。

超電導の使用例

産業分野で利用されている例として、最も有名なものはリニアモーターカーでしょう。

モーターは電磁石・磁石の働きで軸が回転するものですが、回るのではなく直線状に伸ばした構造で推進力を与えるので「リニア(直線)」モーターと呼ばれます。

その中でも超電動時磁石を用いたものは、500km/hを超える速度を出すことが可能で、実用化に向けて準備か進められています。

磁力で浮き上げることで摩擦をなくし、高速化するのですが、その磁石に超電導が用いられています。超電導の性質を持つ金属で作った電磁石であれば、わずかな電流で半永久的に動かすことができ、エネルギーロスを減らせます。そのためリニアの車内には超電導を作り出すために冷凍機が設置されています。

リニアに利用されているピン止め効果はこちらの動画が分かりやすいです。

また医療分野ではMRI(核磁気共鳴画像法)装置にも使用されています。超伝導磁石を用いたMRIは、永久磁石を用いたタイプに比べて、磁場強度や空間均一性に優れていることが知られています。
 
電力部門では、送電線を超電導ケーブルにするための材料や冷却方法の研究も行われており、実用化すれば大幅に電力ロスをなくすことが期待できます。

まとめ

  • 超電導とは低温で、電気抵抗ゼロの状態の現象のこと
  • 超電導には磁石に反発する性質(反磁性)がある
  • 研究が進んでいる分野であり、産業分野のブレークスルーが期待できる

超電導は古くから知られている現象ですが、今まさに実用化に向けた研究が進んでいるということですね。

リニアが事業化すれば私たち日本人にとっても、より身近な技術になるでしょう。電気に関する記事はこちらもおすすめです。

2020/10/5

【電気】初心者向け!テスターの電圧・抵抗測定の仕組み、測定方法について解説!

テスターを現場で使う、というのはありふれた作業ですが、普段使わない人にとっては緊張しますよね。 今回は、テスターの仕組みと、電圧・抵抗測定をする方法について解説したいと思います。 目次テスターの構成部品テスターの仕組み電圧測定抵抗測定テスターの測定方法電圧測定方法抵抗測定方法 まとめ テスターの構成部品 テスターはハンディータイプ、ペンシルタイプなどいくつかありますが、構成部品の例を紹介します。 テスターには直流電圧、交流電圧、抵抗、電流など測定する機能がありますが、全て直流電圧測定部を通ります。つまりど ...

ReadMore

2020/8/15

【電気】電界と磁界の違いとは?電磁界は何を表す言葉?

電磁気というと、皆さんのお仕事ではどんなところで関わるでしょうか? 一般的には電子機器の記録装置や制御機器への配線に電磁シールドケーブルを使用するときや、職場の安全衛生を検討するときに関わるのではないかと思います。 今回は、それらの基礎である、電界と磁界の違い、そして電磁界についてまとめてみました。 チャンネル登録はこちら 目次電界とは磁界とは電磁界とはまとめ 電界とは 電界とは、電気のある空間を指した言葉で、英語ではelectric fieldと言います。 電気をよく通すものに電圧がかかったときや、絶縁 ...

ReadMore

2020/6/23

【電気】赤外加熱とレーザー加熱の違いは?

以前、電気加熱について、種類ごとに原理と特徴をまとめました。 今回は電気をエネルギー源にして、対象物に熱を伝える方法のうち、赤外加熱とレーザー加熱の違いについて解説したいと思います。以前の、全般についてまとめた記事はこちらです。 この動画の内容は、画像とテキストでも解説しています。 チャンネル登録はこちら 目次赤外加熱とはレーザー加熱とは赤外加熱とレーザー加熱の使い分けは?まとめ 赤外加熱とは 赤外加熱とは、その名の通り赤外線によって伝えられる熱エネルギーで加熱をする方法です。 目に見える光は可視光と呼ば ...

ReadMore

2020/5/30

【電気】アーク加熱と抵抗加熱の違い、使い分けは?

電気加熱というと排ガスが出ない、小型化できる、エネルギー管理が容易、といったイメージがありますね。今回はその中でも、溶解・溶接に用いられることが多いアーク加熱と抵抗加熱について解説したいと思います。 電気加熱の全般的な解説はこちらでもしていますので、是非ご覧ください。 目次アーク加熱とは抵抗加熱とは アーク加熱と抵抗加熱の使い分けまとめ アーク加熱とは アーク加熱は、アーク放電を原理とした、急速加熱・局所加熱に有効な加熱方法です。 放電とは、電極間に大きな電位差を生み出した際に起こる、絶縁破壊と呼ばれる現 ...

ReadMore

2020/6/21

【電気】抵抗温度係数と抵抗率の違い、使い分けとは?

導体の抵抗特性を表す指標として、抵抗温度係数と抵抗率があります。 それぞれ導体の電気の流しにくさを表す指標ですが、考え方が似ているため混同してしまいます。今回は抵抗温度係数と抵抗率の違いについて解説したいと思います。 目次抵抗温度係数とは抵抗率とは導体の抵抗温度係数と抵抗率まとめ 抵抗温度係数とは 抵抗温度係数は、導体の温度が1℃変化したときの抵抗値の変化割合を指します。英語ではTemperature Cofficient Resistanceといい略してTCRで表されます。 記号はαで表され、単位は「p ...

ReadMore

SNSアカウント

エネ管.com

更新情報が届きます!

Youtube

Twitter

LINE

過去問bot

エネ管(熱)

エネ管(電気)

電験3種

プラント業界に転職するなら

\プロフィールを登録すると企業からオファーが届きます!/

■ プラント業界に特化した転職サイト。
■ プラントエンジニア600名、企業300社が登録。
■ 企業担当者とチャットでやり取り。

という全く新しいサービスです。



技術系資格取得を目指す方必見!おすすめ通信講座

最短で資格を取得するためには、いかに効率よく学習するかが重要です。モチベーションを維持しながら最短で資格取得を目指すなら通信講座を利用するのもおすすめです。

シンプルで分かりやすいテキストSAT『エネルギー管理士熱分野』

現場技術系専門の通信講座です。イラストを多用したシンプルで分かりやすいテキストと動画がセットになっています。

価格もお手頃で、特に熱力学などを学んだことのない初学者におすすめの通信講座です。

エネルギー管理士以外にも電験や衛生管理者など25の資格の通信講座を展開しています。

電験取得を目指すならSAT『第三種電気主任技術者講座』

イメージしにくい交流回路についても多様なイラストと解説動画で詳しく解説してくれます。独学ではなかなか勉強が進まないという方に特におすすめの講座です。

電気について詳しく学べるので実務で電気を使うという方には最適な教材です。

製造業向け通信講座の老舗 JTEX『エネルギー管理士講座』

テキストとレポート形式の通信講座で、最も実績の多い会社です。エネルギー管理士の電気分野を受けるならおすすめの通信講座です。

  • この記事を書いた人
  • 最新記事

エコおじい

プラントエンジニアです。工業技術をどこよりも分かりやすく解説するをテーマに2017年から情報発信をしています。最近、Youtubeも始めました。応援していただけるという方は更新情報などを発信するので、Twitterのフォローお願いします。

おすすめ記事

1

電験三種は合格率が10%未満の大変難しい資格です。また、範囲が非常に広いので普段の業務で電気を扱わな ...

2

あなたエネルギー管理士の通信教育の中ではSATが一番よさそうだけど、実際のところどうなの?高い買い物 ...

-電気

Copyright© エネ管.com , 2020 All Rights Reserved Powered by AFFINGER5.