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超伝導 ちょうでんどう

ASCII.jpデジタル用語辞典の解説

超伝導

物質が臨界温度を超えて冷却されたときに起こる、電気的な抵抗がゼロになる現象。超電導とも呼ばれる。この状態にあるときは、電気がエネルギーを失わずに物質の中を流れる。長距離送電線やリニアモーターカーなどへの応用が期待されている。

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知恵蔵の解説

超伝導

低温の金属などで電流が抵抗なく流れる現象。電子2個(クーパー対)がボース粒子となり、その群れが全体で1つの量子状態をとる。一つながりのきれいな波で、散乱がない。巨視の量子現象であり、粒子は「個」の性質を失う。1911年、K.オネスが液体ヘリウム温度(絶対温度約4K〈ケルビン〉、絶対零度は-273.15℃)で見つけた。86年以来、超伝導状態になる温度(転移温度)が高い、銅酸化物のセラミックスが次々に発見され、液体窒素温度(約77K)を超えるものも現れた。高温超伝導という。一方、2001年には秋光純らが、従来型の金属化合物二ホウ化マグネシウムで転移温度39Kを観測したと発表した。1957年にJ.バーディーン、L.N.クーパー、J.R.シュリーファーが唱えたBCS理論では、クーパー対は結晶格子の熱振動(フォノン)が仲立ちするが、セラミックス系高温超伝導はこれでは説明できない。超伝導状態の物質は、弱い磁場の磁力線を通さない(マイスナー効果)。主に工学系で超電導の字もあてられる。

(尾関章 朝日新聞記者 / 2007年)

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朝日新聞掲載「キーワード」の解説

超伝導

金属などを極めて低い温度に冷やすと電気抵抗がなくなる物理現象。当初は自然界の最低温度に近い零下250度前後まで冷やさなければならず、実用化が進まなかったが、86年に従来より高い温度で抵抗がなくなる超伝導材が見つかり応用に期待が高まった。

(2008-06-13 朝日新聞 朝刊 1経済)

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百科事典マイペディアの解説

超伝導【ちょうでんどう】

超電導とも書く。多数の金属,ある種の金属酸化物において,数Kの極低温(転移温度)以下で電気抵抗が0になる現象。1911年カメルリン・オンネスが水銀について発見。
→関連項目極低温ジョセフソン素子超伝導磁気浮上式鉄道電気抵抗導体ニューカーボンマイスナー効果リニアモーターカー

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世界大百科事典 第2版の解説

ちょうでんどう【超伝導 superconductivity】

超電導とも書く。ある種の金属や合金,あるいは半導体や有機化合物において,温度を下げていくと,ある温度(転移温度)以下で電気抵抗が突然0になる現象。極低温領域で生ずる場合が多い。1911年オランダのH.カメルリン・オンネスが,約4.15Kで水銀の電気抵抗が突然0になるのを発見したのが最初で,その機構の理論的解明は57年,アメリカのバーディーンJohn Bardeen,クーパーLeon N.Cooper,シュリーファーJohn R.Schriefferによってなされた。

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ブリタニカ国際大百科事典 小項目事典の解説

超伝導
ちょうでんどう
superconductivity

超電気伝導ともいう。ある種の金属や合金の電気抵抗が,ある温度以下で急にゼロになる現象。超伝導体で作った閉回路 (→回路 ) は外からの起電力を遮断しても電流を流し続けることができる。この電流を永久電流という。 1911年オランダの物理学者 H.カマーリング・オネスは水銀の電気抵抗がある温度で急にゼロになることを発見し,33年 W.マイスナーと R.オクセンフェルトによって完全反磁性が明らかにされた。 35年の F.ロンドンと H.ロンドンによるロンドン方程式以後,種々の理論が提唱されたが,57年 J.バーディーンらの電子対の形成に基づく微視的なBCS理論により理論的基礎が確立された。ジョセフソン効果は,超伝導現象が巨視的規模で量子力学的であることを端的に示す現象である。
超伝導が起きるときの温度を転移温度 (臨界温度) といい,固体の材質により異なるが一般には 20K (-253℃) 以下である。しかし,物質が十分に転移温度以下に維持されていても,それぞれの物質に固有の臨界値をこえる強磁場では,超伝導体が通常の状態へ戻ってしまうという事実があり,磁石での超伝導体利用は限定されている。もう1つの超伝導の基本的な特性は,外部の磁場を超伝導体内部へ進入させないという性質である。電気抵抗がゼロになったときに弱い磁場をかけても磁束は伝導体内部から押出されて,表面近くにしか侵入できなくなり,完全反磁性を示す。外部磁場を加えたとき,超伝導がこわれるまで磁束が内部に侵入できない第一種超伝導体の場合,臨界値以下の外部磁場はすべて超伝導体内部から完全に遮蔽される。しかし外部磁場を加えたとき,超伝導状態のままで磁束が内部に侵入できる第二種超伝導体では強磁場は部分的にしか遮蔽されない。いくつかの第二種超伝導体ではもっとも強いものも含めどのような磁場においても超伝導性を維持することが見出されている。 87年には 94Kという高温で超伝導性を保持する数種類の第二種超伝導体が発見され,続いて 115~135Kの臨界温度をもつビスマスを含む化合物も発見された。これらの高温超伝導体は銅酸化物で,すべて結晶中に銅原子と酸素原子から成る原子面または原子鎖を含んでおり,電流および磁場の方向に関しての異方性をもつ。これらは液体窒素で安価に得られる温度で超伝導状態になるので実用面で大いに期待されるが,湿度の高い大気中での不安定性,脆弱性,超伝導に重要な役割を果す結晶表面の不純物に起因する分離傾向などの解決すべき問題が残されている。超伝導素材の利用面として考えられるものには,医療用磁気撮影装置,磁気エネルギー保存システム,浮上式高速旅客列車,モータ,発電器,変圧器,記憶素子や論理装置を含むコンピュータ部品,そして磁場,電圧,あるいは電流のきわめて鋭敏な測定装置が含まれる。超伝導体からつくられる装置の主要な利点は,低いエネルギー損失,高速作動性,高感度である。

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日本大百科全書(ニッポニカ)の解説

超伝導
ちょうでんどう

ある温度(臨界温度)以下(多くの場合、絶対温度20Kすなわち零下253℃以下)の低温で、金属または合金の電気抵抗が突然ゼロになる現象。1911年、オランダ、ライデン大学のカマーリン・オネスが水銀の超伝導を発見したのが最初である。現在では25種類の金属元素が超伝導になることが知られている。臨界温度のいちばん高い元素は、テクネチウム(Tc)の11.1K、ニオブ(Nb)の9.1Kなどである。いちばん低いのはタングステンの10ミリK(1ミリKは1000分の1K)である。現在、元素周期表の1族にある金属からは超伝導現象はまったくみつかっていない。そこで、核断熱消磁法の発展によって0.1ミリK以下のいわゆる超低温の実現が可能になってきた1981年以降、金あるいは銀における超伝導現象を発見しようとする試みがなされている。[渡辺 昂]

高磁場の発生

1960年以降、材料科学の進歩によって、臨界温度が20K近くで、かつ15万ガウスの高磁場をコイルとして発生することのできる超伝導材料が開発されてきた。これらは、合金のニオブ‐チタン(NbTi)、ニオブ‐チタン‐ジルコニウム(NbTiZr)、金属間化合物としてバナジウム3‐ガリウム(V3Ga)、バナジウム3‐スズ(V3Sn)、ガリウム‐ヒ素(GaAs)などである。材料科学の進歩によって、これらの超伝導材料を線材として巻き上げたコイルをデュワー瓶(魔法瓶ともいう。二重壁の内部が真空の断熱容器)に入れ、液体ヘリウム温度に冷却することによって、比較的容易に15万ガウスまでの強磁場を発生させることが可能になった。鉄心を用いた従来の電磁石で発生できる磁場は、2万ガウス程度である。
 これらの超伝導コイルによって発生した高磁場は、物理学の基礎研究ばかりでなく、磁気浮上式鉄道、超伝導発電機・電動機、超伝導送電、MHD発電(磁気流体発電)、核融合発電などに利用されている。[渡辺 昂]

永久電流の発見

カマーリン・オネスは図Aのような実験で、超伝導状態になった鉛のリングに一度電流を流すと、電気抵抗がゼロになるため電流が永久に流れることを発見した。コイルに外部から電流を流して磁場を発生させ、このコイルに鉛のリングをできるだけ近づけておき、この状態でコイルにつないである外部電源のスイッチを切ると、磁場は一定の強さからゼロまで変化し、鉛のリングにはコイルに生じた磁場の変化を打ち消す方向に誘導磁場が発生し、その結果、鉛のリングには誘導電流が流れる。
 このようにして発生した誘導電流は、超伝導状態にある鉛のリングの電気抵抗がゼロであるためにジュール熱となって消えることなく、永久に流れ続ける。カマーリン・オネスはこの電流を永久電流と名づけた。[渡辺 昂]

マイスナー効果

磁石が浮上する液体ヘリウムの容器の底に、鉛かニオブの皿を沈めて、フェライトなどでつくった軽い棒磁石を、図Bのように上から降下させると、棒磁石は皿の上にはのらずに皿の近くで空中に浮上する。これは、超伝導状態にある鉛またはニオブの皿の裏面が磁力線をはじき返す性質をもっているからである。すなわち、超伝導体の内部には磁場が入ることができずに外に向かって押し出されてしまう。この現象を発見した(1932)のは、ドイツのマイスナーWalther Meissner(1882―1974)である。これをマイスナー効果という。
 1957年アメリカのバーディーンとL・N・クーパーとシュリーファーは、電子が図Cのようにフォノン(音響量子)の着物を着て対をつくる結果生ずる巨視的な量子現象が、超伝導の本質であることを明らかにした。3人の頭文字をとってこの超伝導理論をBCS理論とよび、彼らはこの業績により1972年にノーベル物理学賞を授与された。その後、アメリカのフェアバンクWilliam Martin Fairbank(1917―1989)は、超伝導体のコイルに電流を流すことによって発生する磁場がh/2π(hはプランク定数)を単位としてとびとびの値を示すことを発見した。この現象を磁場の量子化という。
 超伝導を特徴づけるもっとも基本的な現象として(1)直流抵抗ゼロ、(2)マイスナー効果、(3)磁場の量子化、(4)ジョセフソン効果、の四つが考えられる。[渡辺 昂]

高温超伝導

前述のような低い遷移温度をもつ超伝導材料に対して、1986年に、より高い遷移温度をもつ酸化物超伝導体が発見された。ベドノルツとK・A・ミュラーは、ランタン、銅、バリウムを含む酸化物が従来より高い温度で超伝導性を示すことを指摘し、その1年後の1987年にノーベル賞を受けた。発見から受賞までの異例の早さは、高温超伝導が自然科学はもとより、社会からも期待される大発見であることを物語っている。以後もさまざまな組成の物質による研究によって遷移温度は上がってきたが、安定性に課題を残している。これが解決し実用化のめどが立てば、それまで高価な液体ヘリウム(温度4.2K)を使わなければならなかった超伝導が、はるかに安価な液体窒素(77K)で実現できることになる。現在、大学や研究所ばかりでなく産業界においても、大電流を流すことのできる安定な材料の開発が進められている。[広瀬立成]
『中嶋貞雄著『量子の世界――極低温の物理』(1975・東京大学出版会) ▽長谷田泰一郎・目片守著『低温――絶対零度への道』(1975・NHKブックス) ▽佐々木祥介著『超流動・超伝導って何だろう――未知の世界に夢を追いかける科学者たち』(1988・ダイヤモンド社) ▽益田義賀著『超流動と超伝導』(1989・丸善) ▽渡辺昂著『超流動から超伝導へ』(1991・大月書店) ▽恒藤敏彦著『超伝導の探究』(1995・岩波書店) ▽村上雅人著、堂山昌男・小川恵一・北田正弘監修『高温超伝導の材料科学――応用への礎として』(1999・内田老鶴圃) ▽恒藤敏彦著『現代物理学叢書 超伝導・超流動』(2001・岩波書店) ▽丹羽雅昭著『超伝導の基礎』(2002・東京電機大学出版局) ▽新潟大学大学院自然科学研究科ブックレット新潟大学編集委員会編、山口貢・福井聡著『夢を実現する超伝導』(2004・新潟日報事業社) ▽松下照男編著、長村光造・住吉文夫・円福敬二著『超伝導応用の基礎』(2004・米田出版、産業図書発売) ▽渡辺昂著『極低温の世界――目に見える量子現象』(新日本出版社・新日本新書)』

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世界大百科事典内の超伝導の言及

【極低温】より

断熱消磁
[極低温における現象]
 一般に,構成要素の間に相互作用をもつ多体系では,相互作用のエネルギーと熱エネルギー(絶対温度にボルツマン定数を掛けたもの)が同程度になる温度よりも低温になると秩序状態が生ずる。秩序には,例えば,電子や原子核の磁気モーメントの磁気的な秩序や,超伝導や超流動などの運動量空間での秩序などがある。これらの秩序には極低温で出現するものが少なくなく,また,極低温で起こる場合には現象がきわめて量子力学的性質を帯びるために,物性研究の対象として極低温域は非常に興味深い。…

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