[물리학-전자기학] 17. 초전도체: 온도와 저항의 관계 | Superconductor: Change in Resistivity with Temperature

 

 

회로 속 물체를 통과하여 흐르는 전류의 세기는 물체의 전기(회로) 저항에 의해 결정된다. 그리고 이 저항에 영향을 주는 요소는 크게 두 가지로 나뉜다. [출처: 네이버캐스트, "전기저항과 온도"]

1. 전하를 운반하는 입자의 밀도
2. 전하를 운반하는 입자의 유동성

​

전자나 이온, 정공과 같이 운반자의 입자 밀도가 클수록 전류가 잘 흐른다. ⇒ 회로 저항 식에 따라 저항은 반비례하게 나타난다.

​

전하 유동성

전하를 운반하는 입자의 유동성을 제한하는 요소로는 (1)결정 구조와 (2)원자들의 진동운동, 그리고 (3)온도 등을 들 수 있다.

• 특히 온도의 경우, 금속과 같은 도체에서 온도가 올라가면 저항이 증가한다.

​

온도에 따른 비저항

 

​

■

• 의미: 100도씨 범위 내의 도체의 비저항 식은 온도에 따라 거의 선형으로 변한다.
• 물리량

1. T_0: 기준온도로 상온 20도씨를 대개 사용한다.
2. T: 온도
3. α: 비저항의 온도계수(저항온도계수, temperature coefficient of resistivity)

​

비저항의 온도계수는 물질에 따라 다르며 [표 1]에 자세한 수치를 확인할 수 있다.

 

표 1. 전도도, 비저항, 그리고 비저항 온도계수 [출처: University Physics Volume 2, OpenStax, 2016, p.410]

 

저항온도계수는 상수가 아니라 온도에 따라 변하기 때문에, 저항과 온도 사이에 엄격한 선형적 관계가 성립하지는 않는다. 대개 100-150도씨 온도 변화 범위 내에서만 선형성[그림 1]을 갖는다.

 

그림 1. 온도에 따른 비저항 값의 변화

 

 

​

비저항 값이 포함된 회로 저항의 식에 온도에 따른 비저항을 대입할 수 있다.

​

 

​

온도에 따른 회로 저항

​

■

• 의미: 어떤 재료의 온도에 따른 회로 저항 값의 변화로, 특정 물질의 온도에 따라 저항 변화를 관측하여 온도를 정밀하게 측정할 수 있다. ⇒ 저항온도계의 원리
• 물리량

1. R_0: 상온 20도씨에서 회로 저항
2. R: 온도 T에서의 회로 저항

​

​

물질에 따른 온도-비저항 값의 차이[그림 2]

 

그림 2. 물질에 따라 온도가 올라감에도 비저항의 값은 그래프와 같이 전혀 다른 양상을 보인다.  [출처: Sears & Zemansky's University Physics with Modern Physics, Young & Freedman, 14th ed., 2016, p.846]

 

금속의 경우는 온도가 증가할 수록 비저항이 커져 전류의 흐름이 약해진다. 하지만 반도체(semiconductor)의 경우, 온도가 올라가면 '과전류'가 흐르게 된다. 이 과전류를 막기 위해 반도체에는 냉각장치가 달려 전류의 양이 조절된다. 마지막으로 초전도체(superconductor)는 임계온도(critical temperature) T_c에서 저항이 0이 되는[그림 3] 특이한 금속 및 화합물을 지칭하는데, 이 임계온도를 높여 일상에 사용하는 것이 중요한 목표이다.

 

그림 3. 초저온에서 저항이 0에 근사하는 초전도체 그래프 [출처: University Physics Volume 2, OpenStax, 2016, p.429]