JP4701274B2

JP4701274B2 - 超伝導体を用いた教育ツール

Info

Publication number: JP4701274B2
Application number: JP2008198356A
Authority: JP
Inventors: 晴彦鈴木; 淳伊藤
Original assignee: 晴彦鈴木; 淳伊藤
Priority date: 2008-07-31
Filing date: 2008-07-31
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2023-01-28
Also published as: JP2008262237A

Description

本発明は、超伝導体を用いた教育ツールに関する。

物理学の授業等において、臨界温度Ｔｃ以下に冷却された超伝導体が磁石の上方に浮くところを学生に見せる形で、超伝導体の磁気浮上効果の実演が行われている（非特許文献１参照）。このように、単に書物を通じて超伝導体について学ぶ場合よりも、学生が強く超伝導体に興味を抱くように授業が工夫されている。
H.Suzuki et al., "A Model Vehicle with Magnetic Flux Pinning Effect of High-Tc Oxide Superconductors" Proc. of Fourth International Symposium on Magnetic-Bearings pp423-425 (1994-8). ETH Zurich

しかし、超伝導体の磁気浮上効果の実演を一方的に見せられるだけでは、学生はその場で一時的に超伝導体の性質に感動したとしても、その感動は長続きしない場合が多い。これでは、学生に超伝導体への関心をより強く抱かせようとする当該実演の意義が失われてしまう。

そこで、本発明は、超伝導体に対する学生の関心を向上させ得る教育ツールを提供することを解決課題とする。

教育現場にあって実際に学生に接している本願発明者の得た知見によれば、教育の原点は「感動」であり、学生に対してどのように感動を与えるかということがその後の学生の自発的な学習を促す等の観点から非常に重要である。

かかる知見に鑑み、前記課題を解決するための本発明の超伝導体を用いた教育ツールは、超伝導体と、ボードと、前記ボードの中央下部に取り付けられ、かつ、前記ボードとは別の物体に対して固定された雲台と、前記ボードの一の垂線方向に磁力線が湧き出すまたは吸い込まれる複数の第１磁石ブロックが配列され、前記ボードに対して固定されることで構成された第１磁石列と、前記第１磁石ブロックとは逆に前記ボードの前記一の垂線方向に磁力線が吸い込まれるまたは湧き出す複数の第２磁石ブロックが、前記第１磁石列の両側に沿って配列され、前記ボードに対して固定されることで構成された第２磁石列とを備え、前記ボードが傾斜されたとき、前記第１磁石ブロックおよび前記第２磁石ブロックによる磁界によって前記ボードから離反した状態の前記超伝導体が前記磁界によって前記第１磁石列に沿った方向への移動が容易とされている一方、他の方向への移動が困難とされていることを特徴とする。

本発明の教育ツールの理解の容易のため、まず、本ツールの原理について図３および図４を用いて簡単に説明する。

図３によれば、第１磁石ブロック２１と、その両側にある一対の第２磁石ブロック２２とによる磁界の様子は、磁力線ｃによって表されている。磁力線ｃはおおよそ、第１磁石ブロック２１から上がり、第１磁石ブロック２１と第２磁石ブロック２２との境界上方付近に頂点をなし、第２磁石ブロック２２に下がる形状となっている。磁力線ｃにより表される形で磁束が超伝導体１０に入り込み、ピンニングされた状態で、超伝導体１０は第１磁石ブロック２１および第２磁石ブロック２２から離反して静止する。

この状態では図４に示すように、超伝導体１０は前後（複数の第１磁石ブロック２１の配列方向／白矢印参照）には移動が容易である。これは、前後について図３の磁力線ｃで示される超伝導体１０近傍の磁界はほぼ一様であり、超伝導体１０の移動に際してピンニングされた磁束に基づく磁場エネルギーが増大しないからである。

一方、超伝導体１０は上下左右（黒矢印参照）には移動が困難である。これは、上下左右については、超伝導体１０の移動に際し、図３の磁力線ｃで示される超伝導体１０近傍の磁界がひずみ、超伝導体１０の移動に際してピンニングされた磁束に基づく磁場エネルギーが増大するからである。

従って、超伝導体１０は複数の第１磁石ブロック２１により構成された「第１磁石列（図４参照）」に沿った方向（図４白矢印参照）への移動が容易とされている。一方、超伝導体１０は他の方向（図４黒矢印参照）への移動が困難とされている。

以上が本発明の教育ツールにおける超伝導体の挙動の原理の説明である。

本発明の教育ツールによれば、理科や物理学の学習者は、超伝導体がボードに設けられた第１磁石列および第２磁石列から浮上していることにまず興味を覚える。これに加え、学習者は第１磁石列の形状を視覚を通じて認識しながら、自らボードを傾斜させることで、超伝導体をボードから浮上した状態のまま第１磁石列に沿った方向に移動させることができる。自己の所作が学習対象物（超伝導体）の挙動に直接反映されることにより、単に当該挙動を受動的に見せられる場合よりも、本願発明者が重視する「感動」、さらには学習対象物である超伝導体への「知的好奇心」を学習者に対してより大きく付与することができるものと期待される。

また、学習者は、ボードの傾き加減によっては、超伝導体が第１磁石列に沿った方向とは異なる方向にも移動してしまう（第１磁石列から脱線してしまう）おそれがあるという予想に基づき、学習対象物である超伝導体の挙動を注意深く見守りながらボードを傾斜させると考えられる。このような超伝導体の挙動の注意深い観察を通じ、当該学習者に対して学習対象物に対する知的好奇心を強く覚えさせることができるものと期待される。

また、超伝導体が周囲の熱によりあたためられて臨界温度Ｔｃを超えると、超伝導性が失われ、第１磁石ブロック２１および第２磁石ブロック２２により作り出される磁界（図３参照）による束縛から解除されてボード等に落下する。これにより、学習者は時間が経過すると超伝導体がその性質を損ねてしまうという事実を直接的に知見することができる。このため、学習者に対して臨界温度Ｔｃを超えると磁気浮上効果が失われるという超伝導体の性質に関する興味を与えることができる。

また、本発明の教育ツールには、適切にボードを傾けることで超伝導体を第１磁石列から脱線しないように移動させることができる一方、ボードが過剰に傾けられたり、超伝導体が暖まって超伝導性が弱まってしまうと、超伝導体が第１磁石列から脱線してしまうというゲーム性がある。このため、学習者がボードの操作がうまくいかず、超伝導体が第１磁石列から脱線してしまったような場合、次回はボードをうまく操作して超伝導体を第１磁石列から脱線しないように移動させようというモチベーションをこの学習者に対して与えることができる。これにより、学習者に対して本発明の教育ツールを反復・継続使用するモチベーションを与えることができる。前記のように本発明によれば、学習者に対して強い「感動」を与え、超伝導体に対する学習者の関心（知的好奇心）の向上を図り得る。

本発明の教育ツールの実施形態について図面を用いて説明する。図１に示す第１実施形態の教育ツールは、超伝導体１０と、ボード１２と、第１磁石列２１０と、第２磁石列２２０とを備えている。

超伝導体１０は、第２種超伝導体であり、ピンニング効果により内部に磁束をトラップした状態でボード１２に設けられた第１磁石列２１０および第２磁石列２２０から離反する。ボード１２は、トタン等の透磁率が低い磁性材よりなる略平板状の上板１２１と、合板等の非磁性材よりなる略平板状の下板１２２とが上下に重ね合わせられることで構成されている。下板１２２には塩化ビニルパイプ等よりなる一対の平行な持ち手３２がビス止め等によって固定されている。下板１２２の中央下部には雲台３４が取り付けられる。雲台３４は万力３６に取り付けられ、万力３６は机（図示略）等に固定される。第１磁石列２１０は、ボード１２の上方（一の垂線方向）に（磁力線が湧き出すように）Ｎ極を向けた状態で配列され、上板１２１に対して磁力により固定された略矩形状の複数の第１磁石ブロック２１により構成される。第２磁石列２２０は、第１磁石ブロック２１と外観が同一で、ボード１２の上方に（磁力線が吸い込まれるように）Ｓ極を向けた状態で第１磁石列２１０の両側に沿って配列され、上板１２１に対して磁力により固定された複数の第２磁石ブロック２２により構成される。なお、第１磁石ブロック２１がＳ極を上方に向け、第２磁石ブロック２２がＮ極を上方に向けた状態で配列されてもよい。

前記構成の教育ツールの使用方法について図２を用いて説明する。

超伝導体１０は予め液体窒素等の冷却剤により臨界温度Ｔｃ以下に冷却されている。また、超伝導体１０は前記のピンニング効果により、第１磁石ブロック２１および第２磁石ブロック２２により作り出される磁界（図３参照）に拘束されながら第１磁石ブロック２１および第２磁石ブロック２２から離反している（浮いている）。

図２（ａ）〜図２（ｄ）に示すように、超伝導体１０がボード１２から浮上している状態で、学習者ｘが持ち手３２を介してボード１２を傾ける。これにより、超伝導体１０が第１磁石列２１０の方向（第１磁石ブロックの配列方向）に沿って第１磁石列２１０から脱線せずに移動する。

詳細には、図２（ａ）に示すようにボード１２が学習者ｘからみてその奥側が下がるように傾けられることで超伝導体１０が前方に移動する。また、図２（ｂ）に示すようにボード１２が学習者ｘからみてその手前側が下がるように傾けられることで超伝導体１０が後方に移動する。さらに図２（ｃ）に示すようにボード１２が学習者ｘからみてその右側が下がるように傾けられることで超伝導体１０が右方向に移動する。また、図２（ｄ）に示すようにボード１２が学習者ｘからみてその左側が下がるように傾けられることで超伝導体１０が左方向に移動する。

超伝導体１０は第１磁石列２１０に沿った方向（図４白矢印参照）には移動が容易とされている。その一方、他の方向（図４黒矢印参照）には超伝導体１０の移動は困難であり、ボード１２を過剰に傾けた場合、超伝導体１０が予期せぬ方向に飛んでしまう（第１磁石列２１０から脱線してしまう）おそれがある。これは、図３および図４を用いて既に説明したように、ピンニング効果に基づく磁場エネルギーの増大を回避されるという性質による。

本発明の第１実施形態の教育ツールによれば、学習者ｘは、超伝導体１０がボード１２上の第１磁石列２１０および第２磁石列２２０から浮上していることにまず興味を覚える。これに加え、学習者ｘは第１磁石列２１０の形状を視覚を通じて認識しながら、自らボード１２を傾斜させ得る（図２（ａ）〜図２（ｄ）参照）。これにより、超伝導体１０をボード１２上の第１磁石列２１０および第２磁石列２２０から浮上した状態のまま第１磁石列２１０に沿った方向に（第１磁石列２１０から脱線しないように）移動させることができる（図４白矢印参照）。自己の所作が学習対象物（超伝導体１０）の挙動に直接反映されることにより、単に当該挙動を受動的に見せられる場合よりも、「感動」さらには超伝導体１０への「知的好奇心」を学習者ｘに対してより大きく付与することができるものと期待される。

また、学習者ｘは、ボード１２の傾き加減によっては、超伝導体１０が第１磁石列２１０に沿った方向とは異なる方向にも移動してしまう（第１磁石列２１０から脱線してしまう）おそれがあるという予想に基づき、学習対象物である超伝導体１０の挙動を注意深く見守りながらボード１２を傾斜させると考えられる（図２（ａ）〜図２（ｄ）参照）。このような超伝導体１０の挙動の注意深い観察を通じ、当該学習者ｘに対して学習対象物に対する知的好奇心を強く覚えさせることができるものと期待される。

また、超伝導体１０が周囲の熱によりあたためられて臨界温度Ｔｃを超えると、超伝導性が失われ、第１磁石ブロック２１および第２磁石ブロック２２により作り出される磁界（図３参照）による束縛から解除されてボード１２上の第１磁石列２１０から脱線してしまう。これにより、学習者ｘは時間が経過すると超伝導体１０がその性質を損ねてしまうという事実を直接的に知見することができる。このため、学習者ｘに対して臨界温度Ｔｃを超えると磁気浮上効果が失われるという超伝導体１０の性質に関する興味をより直接的且つ効果的に与えることができる。

また、第１磁石ブロック２１および第２磁石ブロック２２は磁力によって上板１２１に固定されているので、第１磁石列２１０および第２磁石列２２０の形状が容易に変更可能である。従って、超伝導体１０の走行状態にバリエーションを持たせることができ、学習者ｘの個人能力や、学習者ｘに何を学習させるかという目的に合わせることができ、常に新鮮な「感動」を付与することができるものと期待される。

また、本発明の教育ツールには、適切にボード１２を傾けることで超伝導体１０を第１磁石列２１０から脱線しないように移動させることができる一方、ボード１２が過剰に傾けられたり、超伝導体１０が暖まってしまうと、超伝導体１０が第１磁石列２１０から脱線してしまうというゲーム性がある。このため、学習者ｘがボード１２の操作がうまくいかず、超伝導体１０が第１磁石列２１０から脱線してしまったような場合、次回はボード１２をうまく操作して超伝導体１０を第１磁石列２１０から脱線しないように移動させようというモチベーションをこの学習者ｘに対して与えることができる。これにより、学習者ｘに対して本発明の教育ツールを反復・継続使用するモチベーションを与えることができる。前記のように本発明によれば、学習者ｘに対して強い「感動」を与え、超伝導体１０に対する学習者ｘの関心（知的好奇心）の向上を図り得る。また、養護教育においては、学習者ｘに対してボード１２の傾けに応じた超伝導体１０の挙動に対して継続的な興味を覚えさせることができる点に大きな意義があると考えられる。

本発明の教育ツールの構成説明図本発明の教育ツールの使用方法の説明図本発明の教育ツールの原理説明図（その１）本発明の教育ツールの原理説明図（その２）本発明の教育ツールにおける超伝導体の挙動の原理説明図（その１）本発明の教育ツールにおける超伝導体の挙動の原理説明図（その２）

符号の説明

１０‥超伝導体、１２‥ボード、２１‥表示、２１‥第１磁石ブロック、２２‥第２磁石ブロック、２３‥磁石ブロック（ブロック）、２１０‥第１磁石列、２２０‥第２磁石列

Claims

超伝導体を用いた教育ツールであって、
超伝導体と、
ボードと、
前記ボードの中央下部に取り付けられ、かつ、前記ボードとは別の物体に対して固定された雲台と、
前記ボードの一の垂線方向に磁力線が湧き出すまたは吸い込まれる複数の第１磁石ブロックが配列され、前記ボードに対して固定されることで構成された第１磁石列と、
前記第１磁石ブロックとは逆に前記ボードの前記一の垂線方向に磁力線が吸い込まれるまたは湧き出す複数の第２磁石ブロックが、前記第１磁石列の両側に沿って配列され、前記ボードに対して固定されることで構成された第２磁石列とを備え、
前記ボードが傾斜されたとき、前記第１磁石ブロックおよび前記第２磁石ブロックによる磁界によって前記ボードから離反した状態の前記超伝導体が前記磁界によって前記第１磁石列に沿った方向への移動が容易とされている一方、他の方向への移動が困難とされていることを特徴とする教育ツール。