- 초전도현상(Superconductivity)
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(아래의 모든 내용은 ‘대학물리학, 김용은 역, 청문각’에서 발최하였음을 알려드립니다.)
몇 가지 금속 합금과 산화물을 포함하는 몇몇 금속들은 초전도라 불리는 현상을 나타낸다. 온도가 감소함에 따라 처음에는 보통의 금속처럼 비저항이 서서히 감소한다. 그러나 그림 (c)에 보인 것처럼 어떤 임계 온도
가 되면 상전이가 일어나 비저항이 갑자기 0으로 떨어진다. 초전도 고리에 전류가 한 번 흐르게 되면, 더 이상의 외부장의 도움이 없어도 전류가 무한히 계속 흐르게 된다.
초전도 현상은 1911년 네덜란드의 물리학자인 오네스(Heike Kamerlingh Onnes, 1853-1926)에 의해 발견되었다. 그는 매우 낮은 온도인 4.2K 이하에서 수은의 비저항이 갑자기 0으로 떨어지는 것을 발견하였다. 그 이후의 75년 동안 가장 높은 Tc가 20K 근처까지 올라갔다. 이것은 초전도가 끓는점이 4.2K인 값비싼 액체 헬륨을 사용하거나 20.3K의 끓는점을 갖는 폭발설의 액체수소를 사용하여 냉각시킬 때에만 일어난다는 것을 의미한다. 그러나 1986년에 뮐러(Karl Muller)와 베드노르즈(Johannes Bednorz)가 바륨, 란타늄, 구리의 산화물이 거의 40K에서 임계 온도
가 된다는 것을 발견한 이후 고온 초전도 재료를 개발하기 위한 경쟁이 일어났다. 1987년 이트륨, 구리, 바륨 복합 산화물이 77K이상의
를 갖는다는 것이 발견되었다. 77K는 냉매로 사용되고 있는 값이 싸고 안전한 액체 질소의 끓는점이다. 현재(2006년)
의 기록은 대기압에서 약138K로서 앞으로 실온에서의 초전도가 실현될 수도 있다. 실온에서의 초전도가 현실화되면 배전 시스템이나 컴퓨터 설계 및 대량 수송에 미칠 영향은 엄청나게 크다. 현재는 액체 헬륨으로 냉각되는 초전도 자석이 입자 가속기나 실험용 자기부상열차 등에 사용되고 있다.
- 초전도성
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초전도체에 대하여 가장 잘 알고 있는 성질은, 물질은
로 나타내는 임계 온도(critical temperature)이하로 냉각시켰을 때 모든 전기적 저항이 갑자기 사라진다는 것이다. 그러나 초전도성은 측정할 수 있는 저항이 전혀 없다는 것과는 다소 차이가 있다. 초전도체는 또한 비정상적인 자기적 특성을 갖고 있으며, 이 절에서는 이 성질들에 대하여 조사하겠다. 이들의 비정상적 자기 특성의 첫 번째 단서는 어떤 초전도 물질이 외부에서 가해 준 자기장
안에 있을 때, 임계 온도
가 변한다는 것이다. 초전도성을 발견한 최초의 원소인 수은에서의 이 관계를 그림 29.24에 나타내었다. 외부 자기장
가 증가함에 따라 초전도 전이는 점점 낮은 온도에서 일어난다. 그러나
가 약 0.0412 T 이상이 되면, 초전도 전이는 일어나지 않는다.
이하의 온도에서 초전도성을 제거하는 데 필요한 자기장의 최소값을 초전도체의 임계장(critical field)이라 부르고
로 표시한다.
- 마이스너 효과
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초전도성의 또 다른 중요한 양상은 온도 T가
보다 큰 온도에서 균일한 외부 자기장
안에 균질의 초전도체 물질을 놓으면 나타난다. 물질은 초전도 상(superconducting phase)이 아니고 정상적 상태(normal phase)이다. 자기장은 그림 29.25(a)에서 볼 수 있다. 초전도 전이가 발생할 때까지 온도를 낮춘다(
의 크기가 상전이를 막을 정도로 충분히 크지 않다고 가정한다. 자기장에 무슨 일이 일어나겠는가?
구 밖에서 자기장의 측정은 자기력선이 그림 29.25(b)에서와 같이 비틀어진다는 것을 보여준다. 100원자 정도의 두께를 가진 아주 얇은 표면층에서의 가능성을 제외하면 그 물질 내부에는 더 이상 어떠한 자기장도 없다. 만일 코일로 이 구를 감쌌다면, 이 코일에 유도된 기전력은 초전도 전이가 일어나는 동안 코일을 통과하는 자기선속이 처음 값으로부터 0까지 감소한다는 것을 보여준다. 이것은 물질 내부에는 장이 없다는 사실과 일치한다. 마지막으로, 물질이 아직도 초전도 상에 있는 동안에 장이 꺼진다면, 코일에는 기전력이 유도되지 않으며, 구의 밖에 자기장이 없다는 것을 측정으로 알 수 있다[그림 29.25(c)]
자기장안에서 초전도 전이가 일어나는 동안, 모든 자기선속은 구의 내부로부터 추방되어 코일을 통과하는 자기선속
는 0이 된다고 결론지을 수 있다. 자기선속의 이러한 추방을 마이스너 효과(Meissner effect)라고 부른다. 그림 29.25(b)에서와 같이 이런 축출은 구의 주변에 자기력선들이 보다 가까이 모이도록 밀어 놓는다. 그래서 구 주위의 자기장
가 증가한다.
- 초전도체 부상과 다른 응용
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초전도체의 반자성적인 성질은 몇 가지 흥미있는 역학적 결론들을 갖고 있다. 상자성체나 강자성체는 그 물질 내에 있는 자기 쌍극자가 영구자석의 비균질 자기장과 정렬하기 때문에 영구자석에 끌린다. 그러나 반자성체의 경우에는 자기화가 반대 방향을 향하므로 반자성체는 영구자석에 의해 반발된다. 뉴턴의 제3법칙에 의하면 자석 또한 반자성체에 의해 반발된다. 아래 그림 초전도체 조각과 자석 사이의 반발력에 의해 공중에 떠 있는 (‘levitated')자석의 모습을 보여주고 있다.
지금까지 논의한 초전도체에 대한 거동은 소위, Ⅰ형 초전도체(type-Ⅰsuperconductor)의 특성이다. Ⅱ형 초전도체(type-Ⅱ superconductor)라는 또 다른 초전도성 물질이 존재한다. 초전도 상 내에 있는 Ⅱ형 초전도체가 자기장 안에 놓으면, 초전도체 대부분은 초전도성을 유이하지만, 자기장에 평행한 방향으로 가느다란 실 모양의 초전도체는 정상적 상으로 되돌아간다. 또한, 전류가 이 얇은 실 모양 초전도체의 경계 주위를 순화하게 되어 초전도체 내에 자기선속이 존재하게 된다. Ⅱ형 초전도체는 Ⅰ형 초전도체보다 항상
값이 훨씬 크기 때문에 전자석이 물질(위에서 설명한 얇은 실 모양 물질)로 들어가는 자기장이며, 두 번째는
로 물질이 정상적으로 되는 자기장이다.
중요하고 흥미있는 초전도체에 관한 많은 응용들이 개발 중에 있다. 초전도체 전자석은 여러 해 동안 연구실에서 사용되어 오고 있다. 초전도체 전자석은 재래적인 전자석과 비교하여 큰 효율, 소형화, 훨씬 더 큰 자기장 세기등과 같은 많은 이점을 갖고 있다 일단 전류가 초전도체 전자석의 코일에 가해지면, 저항으로 손실되는 에너지가 없기 때문에 부가적인 전력을 입력시킬 필요가 없다. 또한, 냉각수의 순환을 위한 관이 필요 없으므로 코일을 좀 더 소형으로 만들 수 있다. 초전도체 자석으로 통상 10T 정도의 정상 자기장을 얻을 수 있는데, 이는 보통의 전자석으로 얻을 수 있는 최대 자기장보다 훨씬 큰 값이다.
초전도체는 장거리 전력 송전과 발전기, 전동기 및 변압기를 포함하는 에너지 변화기기에 유용할 것이라고 기대된다. 초전도 양자간섭장치(super-donducting quantum interference devices, SQUIDs)를 이용하여 매우 민감한 자기장을 측정할 수 있는데, 10-14Wb보다 작은 자기선속의 변화를 측정할수 있으며 의학과 지질학, 기타 다른 분야에 응용된다. 초전도체에 대한 이용 가능성은 1987년 고온 초전도체가 발견된 이래 크게 증가하고 있다. 고온 초전도체는 액체 질소의 온도(약77K) 이상의 임계 온도를 가지므로 비교적 얻기가 용이하다. 초전도체 과학의 실용적 응용의 개발이 현대 과학기술에 있어서 새롭고 활기찬 분야가 될 것이 기대된다.
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