초전도체 뜻 활용 특징 | 마이스너 효과 뜻 자기부상열차

 

초전도체에 관하여 이해가 필요한것 같아서 가지고 왔다.

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1. 도체, 전도체, 전기 전도체

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초전도체를 이해하기 위해서는 그 반대 개념인 전도체에 대해 먼저 아는 것이 중요합니다. 전도체는 줄여서 도체라고 하기도 하는데, 열 또는 전기를 '전도'시키는 물질을 말합니다. 대표적으로 금속이 있죠.

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그렇다면 전기 전도체는 당연히 전기를 잘 전도시키는 물질이겠죠. 결국 전도체, 도체, 전기 전도체 다 같은 의미를 가진다고 할 수 있습니다.

따라서 모든 금속이 전기 전도체에 해당되고, 우리는 그 중 '구리'라는 금속을 많이 씁니다. 전선으로 가장 널리 사용되는 금속이죠.

전선을 비롯한 도체는 전기를 흐르게 하는 물질이지만, 도체는 구조 특성 상 이온의 진동이나 구조의 결함, 불순물 같은 것들이 포함되어 있습니다.

따라서 전기가 그냥 매끄럽게 흐를 수 없습니다.

여기서 이온은 원자 또는 분자의 특정한 상태를 나타내는 용어로, 전자를 잃거나 얻어 전하를 띠는 원자 또는 분자를 말합니다.

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그리고 전기가 흐르기 위해서는 전자가 이동해야 합니다. 하지만 전자가 이동할 때 이온의 진동이나 구조적 결함, 불순물 등을 만나게 되면 매끄럽게 흐르지 못하고 충돌을 반복하면서 흘러갑니다. 이때의 충돌로 인해 '저항'이 발생하게 됩니다.

 

저항은 전류가 흐르는 것을 방해하는 정도를 말하는 수치입니다. 전기가 얼마나 안 통하나를 이야기하는 녀석이죠.

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< 예시 >

우리가 마트에서 일정한 방향으로 이동할 때 사람들이 너무 많으면 이동하면서 사람들과 부딪힐 수 있습니다. 또 마트 구조 상 진열대를 비롯한 장애물에 부딪힐 수도 있죠.

나는 매끄럽게 이동하고 싶은데, 여러 사람들과 부딪히고 진열대에 부딪히면 내 이동이 방해받습니다. 저항이 발생하게 되는 것이죠.

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또한, 스마트폰을 장시간 사용하다보면 발열 때문에 뜨거워지는 이유도 전기가 원활하게 이동하지 못하고 저항이 발생하는 것 때문입니다. 저항이 발생하면 열이 발생합니다.

 

그렇다면, 전자가 쉽게 이동하기 위해서는 저항을 줄어야 하겠죠? 그래서 과학자들이 저항을 0으로 줄여봅니다. 저항을 줄이기 위해서 금속성 도체의 온도를 낮추다 보니 저항이 0이 되는 사실을 발견하게 되고, 그 물질을 초전도체라고 하게 된 것이죠.

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2. 초전도체

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초전도체는 전도체의 일종으로, 특정 온도 이하에서 모든 전기 저항이 0이 되고 마이스너 효과가 일어나는 물질을 말합니다.

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우선 모든 전도체들은 저항을 가집니다. 왜냐하면 물질 내의 전자는 전하를 띠고, 두 전자 사이에는 서로 밀어내는 힘이 늘 존재하기 때문입니다. 그런데 어떻게 저항이 0이 되는 것일까요?

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초전도체를 초저온에 두면 전자가 그냥 흐르는 것이 아니라 둘씩 쌍을 이뤄서 흐릅니다. 그런데 초전도체의 온도를 충분히 내리면, 초전도체 내부의 전자들은 서로 밀어내기보다 쌍을 이루는 움직이는 현상을 보입니다. 이를 쿠퍼 쌍이라고 합니다.

 

[ 대략적인 원리 ]

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(-)전하를 띤 전자가 이동하면 (+)전하를 띤 양이온은 전자 방향으로 인력(끌어당기는 힘)을 받아서 그 방향으로 움직입니다. 양이온의 질량은 전자보다 훨씬 무겁기 때문에 이동속도가 전자에 비해 느립니다.

전자가 빨리 지나가서 이미 해당 자리에 없더라도 양이온은 무거운 무게로 인해 방향을 쉽게 바꿀 수 없어 그 방향으로 계속 움직이게 되는 겁니다. 그리고 또 다른 전자는 이 양이온의 방향으로 끌려가는 것이죠.

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쉽게 설명하자면 전자가 이동해 양이온을 끌어 당기면, 또 다른 전자들이 그 양이온을 따라가는 것이 하나의 전자가 다른 전자를 끌어당기는 것 같이 되는 겁니다.

 

이렇게 전자가 쌍으로 움직이게 되면 주변의 구조적인 진동을 무시하고 전류를 전달할 수 있다는 특성 때문에 해당 물질의 저항이 감소하게 되는 것이죠.

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3. 초전도체의 조건

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무조건 저항이 0이라고 해서 모두 초전도체가 되는 것은 아닙니다. 초전도체가 되기 위한 조건에는 저항이 0이라는 특성과, 마이스너 효과가 적용되어야 합니다. 이를 합쳐 '초전도 현상'이라고 합니다.

 

① 초전도 현상

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초전도 현상은 임계 온도 이하의 초저온에서 1)금속, 합금 등의 물질에서 전기 저항이 갑자기 없어져 0이되고 2)내부 자기장을 밀어내는 현상을 말합니다.

이때 임계 온도란 물질의 전기 저항이 0이 되는 임계점을 뜻하죠. 따라서 임계 온도보다 낮아지면 몇 도이건 상관없이 모두 저항이 0이 됩니다.

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저온에서 전기 저항이 0이되는 현상은 앞서 쿠퍼 쌍을 통해 설명했습니다. 쿠퍼 쌍은 저온에서 특정 물질 내에 형성되는 전자들의 특별한 결합체이기 때문이죠.

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낮은 온도에서는 원자나 이온들이 진동하는 에너지가 감소합니다. 우리가 추우면 몸이 뻣뻣해지는 것으로 비유할 수 있죠. 이로 인해 전자들이 물질 내에서 더 자유롭게 움직일 수 있는 겁니다.

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② 마이스너 효과

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마이스너 효과는 물질이 초전도 상태로 전이되면서 물질의 내부에 있던 자기장이 외부로 밀려나는 현상을 말합니다,

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물질의 온도를 임계온도 이하로 내리면 물질에 완전 반자성(자석을 싫어하는 성질)이 적용되어 물질에 적용된 모든 자기장을 밀어내는 것을 뜻합니다. 자석 위에 초전도체를 올리고 온도를 충분히 내리면 초전도체가 붕 뜨게 되는 현상이 마이스너 효과입니다.

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초전도 상태로 전이 되기 전 걸려있던 자기장이라도 초전도체가 되면 해당 자기장을 전부 밖으로 밀어내게 됩니다.

 

이 초전도체를 자세히 살펴보면, 전체적으로는 마이스너 효과가 적용되어 있지만, 마이스너 효과가 적용되지 않은 부분도 있습니다. 이 말은 즉슨 일부분은 자석을 밀어내고, 일부분은 자석을 끌어당기는 성질을 가지고 있는 겁니다. 따라서 자석 위에 초전도체를 띄운 상태를 뒤집어도 초전도체가 떨어지지 않고 고정됩니다.

 

전체적으로는 반자성이지만, 중간 중간에 자기장의 영향이 적용되기에 위치가 고정이 된다는 것이죠. 이를 '퀀텀 락킹'이라고 합니다. 이렇게 저항이 0이라는 특성과 마이스너 효과가 모두 있어야 초전도체의 특성을 만족한다고 할 수 있습니다.

 

4. 초전도체의 장점

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그렇다면 도대체 왜 많은 전문가들이 상온 초전도체가 혁신적인 발명이 될 것이라고 말할까요? 이는 초전도체가 상용화 되었을때를 상상해보면 쉽게 알 수 있습니다.

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초전도체의 첫 번째 특성은 저항이 0이라는 점이죠. 이 특성은 핵융합 발전에 적용될 수 있습니다. 우선 핵융합에서 만들고자 하는 인공태양은 온도가 굉장히 높습니다. 이 뜨거운 인공태양을 담아두는 그릇에 초전도체가 활용될 수 있죠.

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인공태양은 거대한 전자석이 만들어내는 강력한 자기장을 이용해 보관할 수 있는데, 이 전자석에는 엄청난 양의 전기 공급이 필요하기에 소모되는 에너지가 많습니다. 이 에너지를 줄이려면 저항을 줄여야겠죠. 이 때 초전도체가 쓰이는 겁니다.

 

냉각 시스템을 따로 구축하지 않고도 초전도체를 이용해 에너지 소모율을 낮춰 인공 태양을 만드는 데 도움을 줄 수 있겠네요.

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두 번째로는 자기부상 열차가 있습니다. 우선 자기부상 열차는 열차 바닥에 도체를 설치하고 선로에 자석를 깔아놓습니다. 이러면 도체 주변에 생기는 '변화하는 자기장'으로 인해 유도 전류가 생기고, 이 유도 전류가 다시 만드는 자기장에 의해 열차 바닥의 자석을 밀어냅니다.

 

결국 열차 선로 자석의 자기력과 열차 바닥의 유도 자기장이 클수록 더 무거운 열차를 띄울 수 있다는 것이죠. 그런데 열차에 일반적인 전자석을 사용하면 전력 손실이 커서 큰 자기장을 만들기 어렵습니다. '저항' 때문에 열이 발생해 전력이 손실되니까요.

정리하자면 많은 전기 에너지를 필요로 하는 곳에는 저항 때문에 발열이 심해 냉각 시스템이 필요한데, 이 냉각시스템을 상시로 운영하려면 비용이 많이 들겠죠. 다만 초전도체는 저항이 0이기 때문에 별도의 냉각 장치 없이 에너지 손실을 줄일 수 있습니다.

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아직 와닿지 않는다고요? 그렇다면 우리가 일상에서 많이 사용하는 전자기기들을 생각해보면 됩니다. 저항이 없다는 것은 발열이 없다는 겁니다. 즉, 전자기기에 열이 생기지 않는다는 것이죠.

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발열이 생기지 않는 스마트폰, 냉장고, 배터리를 비롯한 전기차라... 정말 대단하지 않나요?

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5. 초전도체의 현황과 LK-99

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이때까지 제가 설명한 초전도체는 '임계 온도(초저온)'라는 개념이 동반되었습니다. 초저온에서 물질 내 이온의 진동 에너지가 감소하고 전류가 완전히 흐르는 것도 초저온에서 가능하다는 것을 발견했죠.

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그런데 우리가 살고 있는 환경은 초저온이 아닙니다. 그래서 과학자들도 상온에서 초전도 현상을 보이는 '상온 초전도체'가 있지 않을까?하고 반복적인 실험과 고군분투를 지속해왔습니다.

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이렇게 초전도 현상에 대한 실험을 반복하다가 영하 269도에서 저항이 극도로 낮아지는 걸 발견합니다. 다만 영하 269도는 너무 낮은 온도이기에 영하 269도 보다 온도를 높이고자 했죠. 이를 시작으로 영하 243도를 넘어 영하 183도 에서도 저항이 낮아진다는 사실을 발견하게 됩니다.

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이게 현재 초전도체의 상황입니다. 하지만, 인류가 원하는 것은 고온 초전도체가 아닌 상온 초전도체이죠. 인간은 상온에서 활동하기 때문입니다.

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이때 LK99가 등장하게 되죠. LK-99는 상온 초전도체로 '추정'되는 물질로, 상압 /상온 환경에서 초전도체의 성질을 보인다고 주장되고 있습니다. 하지만 LK-99에 대한 논문이 공식적인 논문이 아니고 여러 오류와 수치 차이를 보이기에 더 많은 보완이 되어야 한다는 등 다양한 의견이 존재합니다. 따라서 타 연구팀의 재현과 동료평가를 거쳐야 하는 상황이죠.

 

국내 연구진이 공개한 상온 초전도체 추정 물질 LK-99 | 출처 : 위키피디아

정리하자면, 아직은 LK-99가 어떤 물질인지 모른다는 것이 정설입니다. 후에 결과가 나온다면 초전도체가 될 수 도 있고, 초전도체가 아닌 새로운 물질이 될 수도 있는 것이죠.

물론 상온 초전도체는 인류 역사상 엄청난 혁신을 이뤄줄 물질이기 때문에 초전도체가 아니라고 밝혀진다면 아쉬울 순 있지만, 초전도체가 아니더라도 굉장한 발견이었으면 좋겠다는 생각이 듭니다.

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특히 누리호를 비롯해 초전도체를 보면, 해당 키워드 하나만으로 많은 사람들이 전문 과학자들의 이야기를 듣고 새로운 과학적인 사실을 배우고 있습니다. 이처럼 중요한건 우리가 "LK-99가 초전도체가 아니다, 물거품이다" 등 속단하지 않고 그저 과학적인 요소 그 자체로 여기고 즐기는 것이라고 생각합니다.

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우리는 그저 초전도체에 대해 배울 수 있는 기회가 왔으며, LK-99에 대한 전문가의 의견을 쉽게 찾아볼 수 있다는 것에 집중하는 것이 좋겠죠.

https://blog.naver.com/kyh30098/223176544011

초전도체 뜻 활용 특징 | 마이스너 효과 뜻 자기부상열차