반자성체 초전도체란

 

1. 초전도체의 역사와 특징

2. 자성체의 종류 특징

 
 
 

1911년 네덜란드의 물리학자 오너스는 극저온에서 물질들의 성질이 어떻게 변하는지를 실험하던 중, <그림>처럼 절대 온도 4.2K (약 -268.8℃)에서 갑자기 수은의 전기 저항이 0이 되는 현상을 발견했습니다.
오너스는 이렇게 전기 저항이 완전히 사라진 상태를 초전도 현상이라고 이름 짓고, 전기 저항이 완전히 사라진 물체를 '초전도체'라 했습니다.

 

<그림>

 초전도 현상이 일어나기 위해서는 낮은 온도 이외에도 특정 값 이하의 외부 자기장과 전류의 세기가 필요한데, 이를 각각 임계 온도, 임계 자기장, 임계 전류라 합니다.
초전도체 대표적인 성질은 임계 온도 이하에서 전기 저항이 0이 되는 완전 도전성입니다.

(도전성 : 전도성이라고도 하며, 전기가 잘 흐르는 정도를 말합니다.)

 
어떤 물체에 전류가 흐를 때에는 전류의 제곱과 저항에 비례하여 열이 발생하게 됩니다.

P손실 = I² R

P손실= 손실되는 전력
I = 전류
R = 저항

하지만 초전도체는 전기 저항이 0이기 때문에 전류가 흐를 때에도 발생하는 열에너지는 0이 됩니다.
그래서 초전도체를 이용하면 열 손실 없이 전류를 공급할 수 있습니다.
 

 1933년 독일의 물리학자 마이스너(Meissner)와 옥센펠트(Ochsenfeld)는 초전도체의 또 다른 성질을 발견하게 됐습니다.
 이 현상을 '마이스너 효과'라고 부르는데, 초전도체는 자석같이 자기장을 만드는 물체가 가까이 있을 때 그 자기장을 통과시키지 않고 외부로 밀어내는 반자성을 띤다는 것입니다.
 
<자성체 간략 설명>
 반자성체는 자성체들 중 하나입니다.

  (자성이란 물질이 자석에 반응하는 성질을 의미합니다.)

자성체에는 강자성체, 상자성체, 반자성체가 있습니다.

  강자성체 : 외부 자기장과 같은 방향으로 자기장을 형성하여 서로 끌어당기는 힘이 작용
     ex) 철, 니켈, 코발트
 
  상자성체 : 외부 자기장과 같은 방향으로 자기장을 약하게 형성하여 서로 끌어당기는 힘이 작용
    ex) 종이, 백금, 알루미늄, 마그네슘, 산소, 아연, 주석, 텅스텐

  반자성체 : 외부 자기장의 반대 방향으로 자기장을 약하게 띠어 서로 밀어내는 힘이 작용
    ex) 산소를 제외한 대부분의 기체, 금이나 구리 등의 몇몇 금속, 플라스틱, 유리, 물 등

 
 
 
이러한 성질 때문에 초전도체를 자석 위에 올려놓게 되면 초전도체가 자석 위에 뜨게 됩니다.

그리고 초전도체로 도선을 감아서 전자석을 만들면 보통 자석보다 수천 배 강한 자석을 만들 수 있습니다. 

 

 
초전도 현상이 일어나기 위해서는 극저온이어야 하고, 값비싼 액체 헬륨을 사용하여 물체를 냉각시켜야 했습니다.

 그래서 많은 과학자들은 이 한계를 극복하기 위해 꾸준히 연구를 거듭하였는데, 1986년 독일의 물리학자 베드노르츠(Bednorz)와 뮐러(Müller)가 35K(약 -238℃)에서 초전도 현상이 일어나는 물질을 발견했습니다.

 이 물질은 비교적 값싼 냉매인 액체 질소를 사용하여도 초전도 현상이 나타나기 때문에 경제적으로도 중요한 의미가 있습니다.

 이 발견으로 새로운 초전도체에 대한 과학적 관심이 높아졌고, 이로 인해 임계 온도가 높은 초전도체들이 점차 발견될 수 있게 되었습니다.

 고온에서 사용할 수 있는 초전도체가 발견되면서 초전도체는 여러 분야에서 응용되고 있습니다.
※상온이 아님, 고온임
 
 초전도체의 대표적인 응용 분야는 바로 자기 부상 열차입니다.

 자기 부상 열차는 자기장의 반발력을 이용해 기차가 공중에 떠서 주행하는 열차인데, 소음과 진동이 적고, 초고속으로 이동할 수 있는 장점이 있습니다.

 그리고 병원에서 신체 내부를 촬영하여 이상 유무를 진단하는 자기 공명 영상 장치(MRI)도 초전도체를 응용한 장비입니다.

 자기 공명 영상 장치는 강한 자기장을 필요로 하기 때문에 초전도체를 이용하기에 적합한 기기입니다.

 그 외에도 초전도 케이블을 활용하면 무손실 송전이 가능하며, 초전도 자석의 강력한 자기장을 이용한 핵융합 발전으로 새로운 에너지를 생산할 수 있습니다.

 

  이처럼 초전도체는 교통, 의료, 에너지 등 여러 미래 산업 분야에 변화를 가져오겠네요.