熱 ねつ 分解 ぶんかい 炭素 たんそ (英語 えいご 版 ばん ) のシート
熱 ねつ 分解 ぶんかい 炭素 たんそ の磁気 じき 浮上 ふじょう
磁気 じき 浮上 ふじょう (じきふじょう、英 えい : Magnetic levitation , maglev , magnetic suspension )は、磁力 じりょく のみによって物体 ぶったい を空中 くうちゅう 浮揚 ふよう させる方法 ほうほう を指 さ す。マグレブ とも。重力 じゅうりょく に抗 こう する力 ちから として電磁気 でんじき 力 りょく が用 もち いられる。
いくつかの場合 ばあい には、浮上 ふじょう のための力 ちから としては磁気 じき 浮上 ふじょう を用 もち いるものの安定 あんてい 化 か のために微小 びしょう な力 ちから を加 くわ える支持 しじ 機構 きこう が用 もち いられる。これは擬似 ぎじ 磁気 じき 浮上 ふじょう (英 えい : pseudo-levitation )と呼 よ ばれる。
磁気 じき 浮上 ふじょう 式 しき 鉄道 てつどう 、磁気 じき 軸受 じくうけ 、商品 しょうひん 展示 てんじ などに用 もち いられる。
アーンショーの定理 ていり により、静的 せいてき ・巨視的 きょしてき ・「古典 こてん 的 てき 」な電磁場 でんじば のみによる安定 あんてい な浮上 ふじょう は実現 じつげん できない事 こと が証明 しょうめい されている。物体 ぶったい に加 くわ わる重力 じゅうりょく や静 せい 電場 でんじょう ・静 せい 磁場 じば からの力 ちから をどのように組 く み合 あ わせても、物体 ぶったい の位置 いち は不安定 ふあんてい となる。しかし、実用 じつよう 的 てき な浮上 ふじょう を実現 じつげん するための可能 かのう 性 せい はいくつかある。例 たと えば、電気 でんき 回路 かいろ による安定 あんてい 化 か や反 はん 磁性 じせい の利用 りよう などである。
磁気 じき 浮上 ふじょう にはいくつかの方法 ほうほう がある。磁気 じき 浮上 ふじょう 式 しき 鉄道 てつどう に用 もち いられる代表 だいひょう 的 てき な方法 ほうほう は、サーボ安定 あんてい 化 か 電磁 でんじ 吸引 きゅういん 支持 しじ 方式 ほうしき 、電磁 でんじ 誘導 ゆうどう 浮上 ふじょう 支持 しじ 方式 ほうしき 、そして(将来 しょうらい 的 てき には)インダクトラック である。
束縛 そくばく 機構 きこう (擬似 ぎじ 磁気 じき 浮上 ふじょう )[ 編集 へんしゅう ]
わずかな数 かず の安定 あんてい 化 か 用 よう 機構 きこう によって、擬似 ぎじ 磁気 じき 浮上 ふじょう は比較的 ひかくてき 容易 ようい に実現 じつげん できる。
(例 たと えば糸 いと などの)1つの鉛直 えんちょく な軸 じく 上 じょう に2個 こ の磁石 じしゃく を束縛 そくばく し、互 たが いに強 つよ く反発 はんぱつ し合 あ うようにすると、片方 かたがた が他方 たほう の上 うえ に浮上 ふじょう することになる。
別 べつ の例 れい としては、ジッペ式 しき 遠心分離機 えんしんぶんりき (英 えい : Zippe-type centrifuge )が挙 あ げられる。これは、磁石 じしゃく の下 した に磁力 じりょく で吊 つ り下 さ げられた円柱 えんちゅう を下 した から針 はり 状 じょう の軸受 じくう けで支 ささ えた構造 こうぞう となっている。
鉛直 えんちょく に置 お かれた内 うち 直径 ちょっけい 32 mm の Bitter 電磁石 でんじしゃく (Bitter electromagnet )内 ない で浮上 ふじょう する生 い きたカエル 。磁束 じそく 密度 みつど は約 やく 16 T である。オランダ ・ナイメーヘン の High Field Magnet Laboratory による。動画 どうが は Direct link to video にある。
反 はん 磁性 じせい 体 たい は磁場 じば に反発 はんぱつ する。どんな物質 ぶっしつ でも反 はん 磁性 じせい を有 ゆう しているものの、その効果 こうか は非常 ひじょう に弱 よわ いため、通常 つうじょう はより強 つよ く異 こと なった効果 こうか を持 も つ常 つね 磁性 じせい や強 つよ 磁性 じせい によって打 う ち消 け される。3種類 しゅるい の磁性 じせい のうち反 はん 磁性 じせい が最 もっと も強 つよ いものであれば何 なん でも(力 ちから は通常 つうじょう それほど強 つよ くないものの)磁石 じしゃく に反発 はんぱつ する。
アーンショーの定理 ていり は反 はん 磁性 じせい 体 たい には適用 てきよう されない。通常 つうじょう の磁性 じせい とは逆 ぎゃく の性質 せいしつ は、比 ひ 透 とおる 磁率 μ みゅー r が μ みゅー r < 1 となっているために起 お こる。
反 はん 磁性 じせい による浮上 ふじょう は、熱 ねつ 分解 ぶんかい 炭素 たんそ (英語 えいご 版 ばん ) やビスマス の非常 ひじょう に軽 かる い小片 しょうへん を適度 てきど に強 つよ い永久 えいきゅう 磁石 じしゃく の上 うえ に浮上 ふじょう させるのに用 もち いることができる。水 みず は反 はん 磁性 じせい の効果 こうか が強 つよ いため、同様 どうよう の方法 ほうほう で水滴 すいてき や、バッタやカエルなどの生物 せいぶつ を生 い きたまま浮上 ふじょう させることさえできる(ちなみにこの実験 じっけん は、そのユーモラスさから2000年 ねん にイグノーベル賞 しょう を受賞 じゅしょう している)。ただし、そのために必要 ひつよう な磁場 じば の強 つよ さは非常 ひじょう に大 おお きく、典型 てんけい 的 てき には 16 T 程度 ていど であり、実験 じっけん 装置 そうち の近 ちか くに強 つよ 磁性 じせい 体 たい があると大 おお きな問題 もんだい を引 ひ き起 お こす。
反 はん 磁性 じせい による浮上 ふじょう のための条件 じょうけん は
d
B
z
d
z
B
z
≧
μ みゅー
0
ρ ろー
χ かい
g
{\displaystyle {\frac {d\mathrm {B_{z}} }{dz}}\mathrm {B_{z}} \geqq {\frac {\mu _{0}\,\rho }{\chi }}g}
である。ただし、
μ みゅー
0
{\displaystyle \mu _{0}}
は真空 しんくう の透 とおる 磁率
χ かい
{\displaystyle \chi }
は磁化 じか 率 りつ
ρ ろー
{\displaystyle \rho }
は物体 ぶったい の密度 みつど
g
{\displaystyle g}
はその地点 ちてん での重力 じゅうりょく 加速度 かそくど の大 おお きさ(地球 ちきゅう 上 じょう では約 やく -9.8 m /s 2 )
B
z
{\displaystyle \mathrm {B_{z}} }
は磁束 じそく 密度 みつど の鉛直 えんちょく 上向 うわむ き方向 ほうこう 成分 せいぶん の大 おお きさ
d
B
z
d
z
{\displaystyle {\frac {d\mathrm {B_{z}} }{dz}}}
は
B
z
{\displaystyle \mathrm {B_{z}} }
の鉛直 えんちょく 上向 うわむ き方向 ほうこう の変化 へんか 率 りつ
である。
鉛直 えんちょく 方向 ほうこう に向 む けられた筒 つつ 型 がた 電磁石 でんじしゃく による理想 りそう 的 てき な場合 ばあい を考 かんが えると、
水 みず は
d
B
z
d
z
B
z
≳
1400
T
2
/
m
{\displaystyle {\frac {d\mathrm {B_{z}} }{dz}}\mathrm {B_{z}} \gtrsim 1400\ \mathrm {T^{2}/m} }
グラファイト は
d
B
z
d
z
B
z
≳
375
T
2
/
m
{\displaystyle {\frac {d\mathrm {B_{z}} }{dz}}\mathrm {B_{z}} \gtrsim 375\ \mathrm {T^{2}/m} }
でそれぞれ浮上 ふじょう する。
超電導 ちょうでんどう 体 たい はマイスナー効果 こうか により「完全 かんぜん 反 はん 磁性 じせい 体 たい 」(μ みゅー r = 0)を示 しめ し、外部 がいぶ からの磁場 じば を完全 かんぜん に排斥 はいせき するため浮上 ふじょう する。さらにピン止 と め効果 こうか によって安定 あんてい に静止 せいし する。この原理 げんり は、超電導 ちょうでんどう 軸受 じくうけ 、フライホイール などに利用 りよう される。
超電導 ちょうでんどう リニア では、高速 こうそく 走行 そうこう 時 じ に地震 じしん などがあっても安全 あんぜん な浮上 ふじょう 高 だか と軌道 きどう とのクリアランスを確保 かくほ するために、強力 きょうりょく な磁力 じりょく を必要 ひつよう とすることから、超電導 ちょうでんどう 電磁石 でんじしゃく を採用 さいよう している。マイスナー効果 こうか による浮上 ふじょう ではない。
永久 えいきゅう 磁石 じしゃく は、強力 きょうりょく な永久 えいきゅう 磁石 じしゃく と強 つよ い反 はん 磁性 じせい 体 たい との様々 さまざま な配置 はいち 方法 ほうほう によって安定 あんてい に浮上 ふじょう させられる。超電導 ちょうでんどう 電磁石 でんじしゃく を用 もち いる場合 ばあい 、永久 えいきゅう 磁石 じしゃく の浮上 ふじょう は人間 にんげん の指 ゆび の水分 すいぶん による僅 わず かな反 はん 磁性 じせい によってさえ安定 あんてい 化 か できる[1] 。
環状 かんじょう 磁石 じしゃく がつくるトロイダル磁場 じば の中 なか で磁石 じしゃく を回転 かいてん させることでジャイロスコープ のように安定 あんてい 化 か させると反発 はんぱつ 浮上 ふじょう させることができる。ただし、これは歳 とし 差 さ の周期 しゅうき が遅 おそ くなってある閾値 を下回 したまわ るまでの間 あいだ しか続 つづ かず、安定 あんてい 領域 りょういき は空間 くうかん 的 てき にも歳 とし 差 さ 周期 しゅうき の面 めん でも非常 ひじょう に狭 せま い。この現象 げんしょう を最初 さいしょ に発見 はっけん したのはアメリカ合衆国 あめりかがっしゅうこく バーモント州 しゅう の発明 はつめい 家 か Roy Harrigan であり、それに基 もと づいた磁気 じき 浮上 ふじょう 装置 そうち の米国 べいこく 特許 とっきょ を1983年 ねん に取得 しゅとく している[2] 。このメカニズムにより、回転 かいてん による安定 あんてい 化 か を用 もち いたいくつかの製品 せいひん (空中 くうちゅう を浮遊 ふゆう する独楽 こま 玩具 おもちゃ として商品 しょうひん 化 か されたものでは、レビトロン (英 えい : Levitron )やU-CAS(ユーカス)[3] など)がある。大学 だいがく 等 とう の研究 けんきゅう 施設 しせつ 向 む けに、一般 いっぱん 向 む けの商品 しょうひん とするには安全 あんぜん 上 じょう の観点 かんてん から強力 きょうりょく 過 す ぎる磁石 じしゃく を用 もち いた非 ひ 商用 しょうよう の装置 そうち も作 つく られた。
強 つよ さが一定 いってい の磁石 じしゃく による引力 いんりょく は、距離 きょり が離 はな れると弱 よわ まり近 ちか づくと強 つよ まる。このような系 けい は「不安定 ふあんてい 」と呼 よ ばれる。安定 あんてい な系 けい とするには、その逆 ぎゃく に、安定 あんてい 点 てん からずれると元 もと の位置 いち に戻 もど そうとする力 ちから が働 はたら く必要 ひつよう がある。
安定 あんてい な磁気 じき 浮上 ふじょう は、物体 ぶったい の位置 いち と速度 そくど とを測 はか り、その動 うご きを補正 ほせい するようにいくつかの電磁石 でんじしゃく を調整 ちょうせい し続 つづ けるようなフィードバック・ループ を用 もち いることで実現 じつげん され、したがってサーボ機構 きこう によるものとなる。
この種 たね の機構 きこう を用 もち いた系 けい の多 おお くは、重力 じゅうりょく に逆 さか らって磁力 じりょく で物体 ぶったい を引 ひ き上 あ げる方式 ほうしき とすることである程度 ていど 自然 しぜん に鉛直 えんちょく 方向 ほうこう の安定 あんてい 性 せい が得 え られることを利用 りよう している。また、いくつかは磁石 じしゃく の引力 いんりょく と斥力 せきりょく の組 く み合 あ わせを用 もち いて物体 ぶったい を押 お し上 あ げている。
これは電磁 でんじ 吸引 きゅういん 支持 しじ 方式 ほうしき (英 えい : Electromagnetic suspension , EMS )と呼 よ ばれる。
非常 ひじょう に単純 たんじゅん な例 れい として、磁気 じき 浮上 ふじょう を卓上 たくじょう で披露 ひろう するのにこの原理 げんり が用 もち いられる場合 ばあい があり、物体 ぶったい が光線 こうせん を遮 さえぎ ることで位置 いち が測 はか られる。浮上 ふじょう させられる物体 ぶったい の上方 かみがた に置 お かれた電磁石 でんじしゃく は、物体 ぶったい が近 ちか づきすぎるとスイッチがオフになり、落下 らっか して離 はな れ過 す ぎるとオンに戻 もど る。この様 よう な単純 たんじゅん な系 けい はそれほどロバスト ではなく、はるかに効率 こうりつ 的 てき な制御 せいぎょ 系 けい が他 た にあるものの、基本 きほん 的 てき な概念 がいねん は上記 じょうき のように説明 せつめい される。
電磁 でんじ 吸引 きゅういん 支持 しじ 方式 ほうしき の鉄道 てつどう 車両 しゃりょう の浮上 ふじょう はこの種 たね の方法 ほうほう に基 もと づく。車両 しゃりょう はレールを包 つつ み込 こ んでおり、車体 しゃたい の下部 かぶ で引 ひ き上 あ げられる。サーボ制御 せいぎょ によりレールとの距離 きょり は安全 あんぜん に一定 いってい に保 たも たれる。
電磁 でんじ 誘導 ゆうどう 浮上 ふじょう 支持 しじ 方式 ほうしき (英 えい : ElectroDynamic Suspension System , EDS )と呼 よ ばれることもある。
導体 どうたい と磁石 じしゃく との相対 そうたい 的 てき 運動 うんどう [ 編集 へんしゅう ]
銅 どう ・アルミニウム ・銀 ぎん などの良導体 りょうどうたい を磁石 じしゃく のそばで動 うご かすと、磁場 じば の変化 へんか を妨 さまた げ磁石 じしゃく に反発 はんぱつ するような逆 ぎゃく 向 む きの磁場 じば を作 つく る向 む きの渦 うず 電流 でんりゅう が導体 どうたい 内 ない に流 なが れる(レンツの法則 ほうそく )。動 うご きが十分 じゅうぶん 速 はや い場合 ばあい 、保持 ほじ された磁石 じしゃく は導体 どうたい の上 うえ で浮上 ふじょう する。あるいは逆 ぎゃく に磁石 じしゃく の上 うえ に導体 どうたい を浮 う かせることもできる。
技術 ぎじゅつ 的 てき に特 とく に興味深 きょうみぶか いのは、棒状 ぼうじょう 永久 えいきゅう 磁石 じしゃく 1個 いっこ の代 か わりにハルバッハ配列 はいれつ (英 えい : Halbach array )を用 もち いた場合 ばあい である。その場合 ばあい 、磁場 じば の強 つよ さがほぼ2倍 ばい になり、結果 けっか として渦 うず 電流 でんりゅう の大 おお きさもほぼ2倍 ばい になり、全体 ぜんたい として浮上 ふじょう 力 りょく は3倍 ばい よりも大 おお きくなる。2つの逆 ぎゃく 向 む きのハルバッハ配列 はいれつ を用 もち いると磁場 じば は更 さら に強 つよ くできる[4] 。
ハルバッハ配列 はいれつ はジャイロスコープ やモーター や発電 はつでん 機 き の回転 かいてん 軸 じく にも適 てき している。
交流 こうりゅう 電流 でんりゅう を流 なが した電磁石 でんじしゃく の上 うえ に導体 どうたい を(または導体 どうたい の上 うえ に電磁石 でんじしゃく を)浮上 ふじょう させることができる。導体 どうたい 中 ちゅう に発生 はっせい する渦 うず 電流 でんりゅう によって通常 つうじょう のどんな導体 どうたい でも反 はん 磁性 じせい 体 たい のように振 ふ る舞 ま う[5] [6] 。渦 うず 電流 でんりゅう は元 もと となる磁場 じば に反発 はんぱつ するような磁場 じば を作 つく るため、導体 どうたい は電磁石 でんじしゃく と反発 はんぱつ する。
この効果 こうか が起 お こるためには、導体 どうたい がアルミニウム や銅 どう などの強 つよ 磁性 じせい でない良導体 りょうどうたい である必要 ひつよう がある。強 つよ 磁性 じせい 体 たい は電磁石 でんじしゃく に強 つよ く引 ひ き寄 よ せられ、また抵抗 ていこう 値 ち が高 たか く渦 うず 電流 でんりゅう が弱 よわ くなる傾向 けいこう がある。
この効果 こうか は、手品 てじな のタネとしてアルミニウム板 ばん を仕込 しこ んだ電話 でんわ 帳 ちょう を空中 くうちゅう 浮遊 ふゆう させる仕掛 しか けなどに使 つか われることがある。
アーンショーの定理 ていり は厳密 げんみつ に静 しずか 磁場 じば にのみ適用 てきよう される。交流 こうりゅう 磁場 じば は、純粋 じゅんすい に引 ひ き合 あ う向 む きのみの場 ば が変動 へんどう している場合 ばあい でも[7] 、安定 あんてい 性 せい の元 もと となるとともに磁場 じば 中 ちゅう を通 とお る経路 けいろ を限定 げんてい し、浮上 ふじょう 効果 こうか を与 あた えうる。
この効果 こうか は粒子 りゅうし 加速器 かそくき で荷電 かでん 粒子 りゅうし を浮上 ふじょう させ閉 と じ込 こ めるのに使 つか われる。また、磁気 じき 浮上 ふじょう 式 しき 鉄道 てつどう への応用 おうよう も提案 ていあん されている[7] 。
磁気 じき 浮上 ふじょう 技術 ぎじゅつ の大半 たいはん はさまざまな複雑 ふくざつ な問題 もんだい 点 てん を抱 かか えている。
能動 のうどう 的 てき 浮上 ふじょう 方法 ほうほう の多 おお くは安定 あんてい な領域 りょういき が非常 ひじょう に狭 せま い。
そもそも磁場 じば は振動 しんどう を排除 はいじょ するようになっていない。このため物体 ぶったい が安定 あんてい 領域 りょういき から外 はず れる原因 げんいん となる振動 しんどう モードが存在 そんざい しうる。渦 うず 電流 でんりゅう は導体 どうたい が適切 てきせつ な形状 けいじょう であれば安定 あんてい となる。また、その他 た の機械 きかい 的 てき ・電気 でんき 的 てき な防 ぼう 振 ふ 技術 ぎじゅつ が使 つか われる場合 ばあい もある。
重量 じゅうりょう 物 ぶつ を持 も ち上 あ げるには、必要 ひつよう な磁場 じば を電磁石 でんじしゃく で作 つく るために大 だい 電力 でんりょく ・大 だい 電流 でんりゅう が要求 ようきゅう される。
超電導 ちょうでんどう は極 ごく 低温 ていおん を必要 ひつよう とし、ヘリウム冷却 れいきゃく が使 つか われる場合 ばあい も多 おお い。
磁気 じき 浮上 ふじょう 式 しき 鉄道 てつどう や磁気 じき 軸受 じくうけ 等 とう で使用 しよう される。一部 いちぶ を除 のぞ いて実用 じつよう 化 か された例 れい は限 かぎ られている。また、免 めん 震 ふるえ 装置 そうち としての研究 けんきゅう も進 すす められている。[8]