초전도체(superconductor): 임계 온도 T_c 이하에서 저항이 0이 되는 금속 및 화합물
초전도 현상(superconductivity): 임계 온도 T_c 이하에서 저항이 0이 되는 현상, 초저온의 금속, 합금(alloy), 반도체, 유기화합물 등에서 전기저항이 사라진다.
- 1911년, 네덜란드의 물리학자 오네스(Heike Kamerlingh-Onnes, 1853~1926)가 수은으로부터 저항이 0이 근사하는 금속의 임계온도(critical temperature)를 발견했다.
- T_c가 약 4.2-4.15[K]인 온도에서 수은의 비저항 값이 4×10^-25[Ω·m]로 측정[그림 1]되었다. ⇒ 구리도선에 비해 값이 약 10^17배나 작다.
- 초전도의 특성을 지닌 전선에서 전류는 전원의 공급없이 계속 흐른다.[그림 2]
초전도 상태의 유지 조건
- 임계 온도
- 임계 자기장: 임계 온도 이하의 초전도 상태라도 충분히 큰 자기장을 가할 때, 실제 저항이 사라짐
- 임계 전류밀도: 임계 온도 이하의 초전도 상태라도 충분히 큰 전류를 공간에 흘려야 실제 저항이 사라짐
초전도금속
초전도 금속: 초전도체의 초기 연구 당시 초전도 현상이 발견된 금속류로 수은(Hg, T_c=4.15)과 납(Pb, T_c=7.18)등이 대표적이다. [표 1]
- 초전도 세라믹: 도핑된 세라믹, 임계 온도가 높은 초전도 재료로 복잡한 화학식(chemical formula)을 가진다.
초전도체의 공통적인 성질
초전도체는 다양한 물질에서 구현될 수 있으므로, 대부분의 성질은 물질마다 다르다. 그러나 '초전도체'의 공통적인 성질 또한 아래와 같이 존재한다.
직류 전류에 대한 완전도체(초전도)
- 전기회로에서 회로 저항을 측정하는 대표적인 방법은 (1)직류 연결 상태에서 (2)전류를 공급하여, (3)물질 양단에 인가된 전압 V를 측정하는 것이다. ⇒ 회로 저항은 R=V/I 식을 따르는데 만약 전압이 V=0이라면, 물질의 저항 또한 0이다.
- 일반적인 도체의 경우, 전류는 (자유)전자가 이온 격자 사이를 움직이는 것으로 표현[그림 3]된다. 전자들은 격자 속에서 계속 충돌하면서 에너지를 빼앗기고, 이것의 물리적 현상으로 (1)열 또는 (2)격자의 운동(에너지) 등으로 확인할 수 있다.
- 그러나 초전도체에서는 전류의 흐름이 각각의 전자의 움직임이 아닌 (1)쿠퍼 쌍(Cooper pair)을 이룬 채, (2)포논(phonon)의 교환으로 인력을 가지며[그림 4], (3)에너지의 손실 없이 (쿠퍼 쌍이) 초유체(superfluid)와 같은 거동을 보인다.
※ 양자역학에서 전자는 페르미온(fermion: 반정수의 스핀입자)으로 파울리의 배타원리를 따른다. 그러나 전자 스핀이 정반대(-1/2, +1/2)인 두 개의 전자가 하나의 쿠퍼 쌍을 이루면, 파울리의 배타원리를 따르지 않는 보손(boson)처럼 거동한다. 보손은 스핀이 정수인 입자인데, 두 개의 전자 스핀이 -1/2, +1/2에 쌍(+)을 이루었기 때문에, 양자역학에서 쿠퍼쌍은 전자가 구성입자임에도 불구하고 보손에 속한다.
※ 보손의 중요한 특징 중 하나는 어떤 상태를 점유할 수 있는 입자의 개수에 제한이 없다는 것이다. 전자와 같은 페르미온은 한 개의 상태에 최대 1개의 입자만이 점유할 수 있지만, 쿠퍼 쌍은 보손과 같이 행동하기에, 수많은 쿠퍼 쌍들은 어떤 상태에 대해 '거대한 입자'처럼 거동할 수 있다. 낮은 온도 상에서 쿠퍼 쌍들은 격자와 충돌하지 않기에 저항이 없어지는 효과가 발생한다.
※ 쿠퍼 쌍은 주변의 높은 열에너지 조건에서 파괴된다.
초전도 상전이
초전도성이 나타날 때 물질로부터 다양한 물리량 변화가 관찰되는데, 공통적으로 상전이가 발생한다.
마이스너 효과
초전도체는 내부의 자속밀도가 0이 되는 완전 반자성체 물질이다.
- 마이스너 효과(Meissner effect): 독일의 물리학자 발터 마이스터(Fritz Walther Meissner, 1882-1974) 초전도체 연구 중, 반자성체 물질인 초전도체가 내부의 자속밀도를 0으로 만들기 위해 자기장을 외부로 밀어냄을 발견했다.
초전도체는 전류에 대한 저항이 0일 뿐만 아니라 내부의 자기장까지 없는 매우 특수한 성질을 가지기 때문에, 다양한 연구 분야로 확장 가능하다.
- 초전도자석(superconducting magnet): 적은 소비전력으로 넓은 공간에 자기장을 발생시킬 수 있다. ⇒ 에너지 저장수단으로서 매우 많은 관심을 받는 연구 분야
- 자기부상열차(magnetic levitation train): 마그레브(maglev), 전기로 발생된 자기력으로 레일에서 낮은 높이로 부상해 직접 차량을 추진시키는 열차[그림 6]
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