과학용어 이해하기 : 초전도, 초전도체

초전도, 초전도체

Superconductivity, superconductor

超導導, 超導導體

 

 

어떤 종류의 물체의 전기 저항이, 절대 영도(-273도)에 가까운 어떤 온도 이하에서 불연속적으로 0이 되는 현상.

초전기 전도라고도 합니다.

 

특정한 물질이 매우 낮은 온도에서 전기 저항이 완전히 없어지는 현상입니다.

 

초전도체는 일정한 임계 온도 이하에서 전류가 흐를 때 저니 저항이 사라져 전류가 무제한으로 흐를 수 있게 됩니다. 

이런 특성은 1911년 영국의 헤일슬롯에 의해 처음 발견되었습니다.

 

초전도체는 매우 낮은 온도에서 전기 저항이 0에 가까워지는 초전도 현상이 나타나는 도체를 말합니다. 

 

초전도 현상이란 여러 금속이 특정 온도 이하로 냉각되면 전기 저항이 완전히 사라지는 현상입니다.  대부분의 초전도체는 매우 낮은 온도, 주로 액체 헬륨이나 액체 질소의 온도 범위에서 동작합니다.

 

초전도 현상이 나타나는 온도를 '전이 온도'라고 하며 물질에 따라 다른 값을 갖습니다.

 

대개 20K(-253도)이하입니다. 

 

초전도현상은 1911년 네델란드의 물리학자 헤이케 카메를링 오네스가 수은에서 최초로 발견했습니다. 이와 유사한 현상이 납, 주석 등 약 25개의 원소와 수천 종류의 합금 화합물에서도 발견되었습니다.

 

초전도를 나타내는 물질을 초전도체라 하는데, 납, 니오브 등의 금속이나 합금, 화합물 등 1000여 종류의 초전도체가 발견되고 있습니다. 

 

이러한 저온 상태에서 초전도체가 동작하는 것은 BCS 이론(바르덴-쿠퍼-슈리펜 이론)에 기반하고 있습니다.

 

초전도체는 자기장을 내장하고 있으며, 자기장이 변하면 초전도체 내에서 전류가 발생하여 자기장에 반응하는 특성을 갖고 있습니다.

 

이러한 자기적 특성은 자기 부상열(Maglev) 기술이나 초전도자선, 자기 고체 상태의 자기장을 이용한 응용 분야에서 활용됩니다.

 

 

 

 

초전도체를 이용할 수 있는 분야로는 의료용 자기 영상 장치, 자기 에너지 저장 시스템, 고속 운송을 위한 자기 부사 열차, 전동기, 발전기, 변압기, 컴퓨터 부품, 자기장 전압 전류 측정을 위한 매우 정밀한 기구 등이 있습니다. 

 

초전도체의 주요 단점은 일반적으로 낮은 온도에서만 동작한다는 것이며, 이로 인해 냉각 장치가 필요하다는 점입니다. 이로 인해 상용화 및 실용적인 응용에 제한이 있습니다.

 

최근 몇 년 동안, 고온 초전도체에 대한 연구가 진행되어 실용적인 응용 가능성을 모색하고 있습니다.

 

 

 

초전도 코일

 

 

초전도체의 전선을 감아 만든 코일, 전류를 흐르게 하면 전자석이 됩니다. 

 

초전도체는 전기 저항이 0이므로 전류가 흘러도 줄열을 발생하지 않고, 전력도 소비하지 않습니다.

 

그러나 자기장이 강해지면 초전도 상태가 붕괴되어 저항이 있는 보통의 금속으로 되돌아가는 성질이 있으므로, 이를 극복할 수 있는 재료를 선택해 코일을 만들어야 합니다. 

 

현재 적용 기술

 

자기 부상열 (Maglev) 기술: 초전도 코일은 자기 부상열 기술에서 중요한 역할을 합니다. 자기 부상열 기술은 자기장을 이용하여 기차나 자동차를 떠올려 지상과의 마찰을 최소화하는 기술입니다. 이를 통해 더 빠르고 안정된 운송이 가능하게 됩니다.

 

MRI (자기 고체 상태의 자기장을 사용한 의료 기술): 의학 분야에서도 초전도 코일은 자기 고체 상태의 자기장을 생성하여 이미지를 생성하는데 사용됩니다. MRI에서는 강력한 자기장이 필요하며, 초전도 코일은 이를 효과적으로 생성할 수 있습니다.

 

고에너지 물리학 실험: 입자 물리학 실험장치에서는 초전도 코일이 강력한 자기장을 생성하는 데에 사용될 수 있습니다.

 

 

현재 초전도 코일 자석으로 구현한 최대의 자기장은 2022년 1월 기준으로는 최대 자기장을 가진 초전도 코일은 약 45 테슬라(Tesla)로 알려져 있습니다. 

 

이러한 초강력 자기장을 만드는 데는 강력한 초전도자석이 필요하며, 주로 대형 가속기 및 입자 물리학 실험장치에서 사용됩니다.

일반적으로 의료 분야에서 사용되는 MRI 시스템에서는 1.5 테슬라에서 7 테슬라 사이의 자기장을 생성하는 초전도 코일이 사용됩니다. 그러나 높은 자기장은 각종 연구 및 고에너지 물리학 실험에서 필요한 요구 사항에 따라 설계되고 사용됩니다.