초전도체란? 정의, 유형 및 용도

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초전도체는 임계 온도 이하로 냉각되면 갑자기 모든 전기 저항을 잃어 에너지 손실 없이 전기를 전도할 수 있는 물질입니다 . 이러한 물질은 또한 매우 독특한 자기 특성을 나타냅니다. 즉, 완전한 반자성 물질입니다. 즉, 자기장선을 배제합니다. 이것은 자석 근처에 놓였을 때 자기력선이 측면을 통과하지만 재료를 관통하지는 않는다는 것을 의미합니다.

원형 도선과 같은 초전도 물질에 전류를 유도하면 물질이 차갑게 유지되는 한 이 전류는 무한히 계속 흐른다. 저항이 없는 이 전류를 초전류라고 하며 무엇보다도 매우 강한 자기장을 생성하는 데 사용됩니다.

초전도성, 즉 임계 온도 이하에서 초전도체가 되는 물질의 성질은 1911년에 발견되어 당시의 물리학자들을 완전히 놀라게 했습니다. 반자성 특성( 마이스너 효과 라고 함)이 발견되기까지는 20년 이상이 걸렸고 물리학자들이 초전도가 발생하는 이유를 설명하기까지는 거의 반세기가 걸렸습니다. 1957년 John Bardeen, Leon Cooper, Bob Schrieffer가 이 문제를 해결하여 1972년 노벨 물리학상을 받았습니다.

임계 온도 및 고온 초전도체

최초로 발견된 초전도체의 임계 온도는 3.6K로 -269.6°C에 해당합니다. 이러한 낮은 온도를 생성하고 유지하는 것은 매우 어렵기 때문에 이 기사의 뒷부분에서 살펴보겠지만 초전도체의 사용은 소수의 매우 특정한 응용 분야로 제한되었습니다.

이 때문에 전 세계 수백 명의 과학자들이 상온에 가까운 임계온도를 가진 초전도체 개발에 끊임없이 매진하고 있다. 이러한 물질을 고온 초전도체라고 합니다.

초기 진행으로 임계온도를 수십도 정도 올렸으나 최근에는 임계온도 14.5℃의 초전도체가 최초로 개발되었다.

초전도체의 종류

구성 및 자기장과 상호 작용하는 방식에 따라 기본적으로 두 가지 유형의 초전도체가 있습니다.

I형 초전도체

이들은 처음으로 발견되었습니다. 이들은 Meissner 효과를 나타내는 순수 원소입니다. 즉, 임계 온도 미만일 때 자기장을 밀어냅니다. 일반적으로 각 재료의 특성인 단일 임계 온도를 가지며 임계 온도 아래로 전기 저항이 급격히 떨어집니다.

유형 II 초전도체

이들은 초전도성을 나타내는 합금 또는 세라믹 재료를 형성하기 위해 결합하는 다양한 원소의 혼합물로 구성됩니다. 유형 I 초전도체와 다른 점은 전기 저항 강하가 점진적이므로 저항이 떨어지기 시작할 때와 저항이 0에 도달할 때의 두 가지 임계 온도가 있다는 것입니다.

이러한 유형의 초전도체의 또 다른 중요한 특징은 충분히 강한 외부 자기장이 가해지면 재료가 초전도성을 잃는다는 것입니다.

초전도체의 용도

입자 가속기

아마도 현재까지 초전도체의 가장 인상적인 응용 분야는 입자 물리학에 관한 과학 연구 분야일 것입니다. 초전도체는 인간이 만든 가장 큰 기계 중 하나인 대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)에 입자 빔을 가두는 전자석에 사용됩니다.

열핵 발전

핵융합은 100년 동안 꿈의 청정 에너지원이었습니다. 그러나 핵융합을 일으키고 유지하려면 기체 수소와 헬륨이 초전도체로 만들어진 강력한 전자석에 의해 갇힌 토카막이라는 속이 빈 도넛 내부에서 회전할 때 섭씨 1억도까지 가열해야 합니다.

양자 컴퓨팅

양자 컴퓨팅의 가장 유망한 구현 중 하나는 작동에 필수적인 초전도 회로를 사용합니다.

양자 컴퓨팅의 초전도체
양자 컴퓨팅의 초전도체

의료 진단 이미징

초전도체의 발달로 인해 이전에는 불가능했던 의료영상진단기기와 기술의 탄생이 가능해졌습니다. 이러한 기술 중 하나는 나침반 바늘을 움직이는 데 필요한 자기장의 10억분의 1에 해당하는 자기장의 변화를 감지할 수 있는 SQUID 자기 뇌파 검사입니다.

초전도체 덕분에 새로운 이미징
MRI 터널

발전

마지막으로 최근의 또 다른 응용 분야는 구리선 대신 초전도선으로 만든 발전기를 사용하는 것입니다. 이 발전기는 기존 발전기보다 훨씬 효율적이며 훨씬 작고 가볍습니다.

참조

찰스 슬리터(2007). 초전도의 역사 소개(물리 학생 및 과학자용). https://history.aip.org/exhibits/mod/superconductivity/01.html 에서 가져옴

Castelvecchi, D. (2020년 10월). 최초의 상온 초전도체는 과학자들을 흥분시키고 당혹스럽게 합니다. 자연 586, 349. https://www.nature.com/articles/d41586-020-02895-0 에서 가져옴

Snider, E., Dasenbrock-Gammon, N., McBride, R.  외.  (2020). 탄소 질 황 수소화물의 실온 초전도성. 자연  586,  373–377. https://www.nature.com/articles/s41586-020-2801-z#citeas 에서 가져옴

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Israel Parada (Licentiate,Professor ULA)
(Licenciado en Química) - AUTOR. Profesor universitario de Química. Divulgador científico.

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