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심심한고라니209
초전도체는 특정 온도 이하에서 전기 저항이 사라진다고 하는데 이런 현상이 생기는 이유?
초전도체는 특정 온도 이하에서 전기 저항이 사라진다고 하는데 이런 현상이 생기는 이유와 자기부상열차 같은 기술에 어떻게 쓰이는지 궁금합니다.
6개의 답변이 있어요!
안녕하세요.
초전도체는 임계온도 이하에서 전자들이 쿠퍼쌍을 형성하는 등 양자역학적 상태가 바뀌면서 전기저항이 0이 되는 현상이에요. 또한 외부 자기장을 밀어내는 마이스너 효과도 나타나 강한 자기장을 만들 수 있죠.
자기부상열차는 초전도 자석이 만드는 자기장과 선로의 코일 사이에 작용하는 힘을 이용해 열차를 띄우고 추진하죠. 바퀴와 선로의 접촉을 줄여 고속 주행이 가능하지만, 초전도 상태를 유지하려면 극저온 냉각이 필요해 비용과 냉각 기술이 중요한 과제예요.
감사합니다.
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채택된 답변안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
보통 금속의 저항은 흐르던 전자가 떨고 있는 원자나 불순물에 부딪혀 방향이 틀어지면서 생겨요. 초전도체를 임계 온도 아래로 식히면 전자 두 개가 원자 격자의 미세한 뒤틀림을 매개로 약하게 끌어당겨 쿠퍼쌍이라는 짝을 이뤄요. 수많은 쿠퍼쌍은 하나의 양자 상태로 모여 한 몸처럼 움직이고, 이 중 한 쌍만 따로 흩뜨리려 해도 짝을 깨는 데 일정한 에너지가 필요해요. 온도가 낮아 그만한 에너지를 줄 진동이 없으니 전자가 부딪혀도 에너지를 잃지 않고, 저항이 정확히 0이 돼요.
이렇게 저항 없이 전류가 흐르니 굵은 코일에 아주 큰 전류를 넣어도 열이 나지 않아 강한 자석을 만들 수 있어요. 일본의 초전도 자기부상열차는 차량에 액체 헬륨으로 식힌 초전도 코일을 싣고, 이 자석이 지나갈 때 선로 옆 코일에 유도된 전류와 밀고 당기며 10cm가량 떠서 달려요. 2015년 시험 운행에서 시속 603km를 기록했어요. 같은 강한 자석은 병원의 MRI에도 쓰여요 :)
안녕하세요. 박재화 전문가입니다.
초전도체는 아주 낮은 온도가 되면 전자들이 서로 짝을 이루어 움직이면서 원자와 충돌해 에너지를 잃는 현상이 크게 줄어 전기 저항이 거의 0이 됩니다. 또 초전도체는 내부로 자기장이 들어오는 것을 밀어내는 마이스너 효과라는 특징도 가지고 있습니다.
이 성질을 이용하면 자석과 초전도체 사이에 밀어내는 힘이 생겨 물체를 공중에 띄울 수 있습니다. 자기부상열차에서는 이런 자기력을 이용해 열차를 선로에서 띄우고 마찰을 크게 줄여 빠르게 움직일 수 있게 합니다.
초전도체는 전기 손실을 줄이고 강한 자기장을 만들 수 있다는 점 때문에 자기 부상열차, MRI, 전력기기 등에 활용됩니다.
안녕하세요. 최정훈 전문가입니다.
초전도체는 온도가 내려가서 전자들이 둘씩 짝을 지으면서 저항이 사라집니다. 사실 평소에는 전자가 부딪히면서 열이랑 저항을 만들죠. 하지만 특정한 온도 이하가 되면은 전자들이 짝을 만듭니다. 그래서 장애물을 손실 없이 부드럽게 통과할 수가 있죠. 결국 전기 저항이 완벽한 0이 되는 겁니다.
그리고 이 성질은 열차가 붕 떠서 달리는 자기 부상 열차에 아주 유용하게 쓰일 수가 있습니다. 왜냐하면은 저항이 없어서 열도 안 납니다. 거기다가 엄청나게 강한 자석을 만들 수도 있죠. 그리고 자력으로 열차를 공중에 띄울 수가 있으니까 마찰도 없어질 수가 있는 겁니다. 그러면 소음도 없어지고 초고속으로 달릴 수 있으니까 자기 부상 열차에 가장 찰떡이죠.
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
초전도체가 특정 임계 온도 이하에서 전기 저항이 완전히 사라지는 이유는 극저온 상태에서 전자들이 쿠퍼 쌍을 형성하고 원자 격자의 방해 없이 이동하기 때문입니다. 평소에는 전자가 이동하며 원자와 충돌해 저항이 발생하지만 초전도 상태에서는 전자들이 포논을 매개로 결합해 산란 없이 매끄럽게 흐르는 양자 상태가 되기 때문입니다. 이와 함께 초전도체는 내부 자기장을 외부로 밀어내는 마이스너 효과라는 완전 반자성 특성을 나타냅니다. 자기부상열차는 이 강력한 반발력과 마이스너 효과를 이용해 무거운 열차를 선로 위에 안전하게 공중 부상시킵니다. 아울러 전기 저항이 전혀 없기 때문에 막대한 전류를 흘려도 열 손실 없는 강력한 초전도 전자석을 구현하여 초고속 추진력을 효율적으로 얻을 수 있습니다. 결국 미시적인 전자 쌍 결합과 저항 소멸 현상이 거시적인 자기부상열차의 부상과 주행 시스템을 완성하는 핵심 기술로 작동하는 것입니다
안녕하세요. 강세훈 전문가입니다.
초전도체는 저온에서 쿠퍼쌍이 형성되어 저항이 0이 되고, 이 성질로 만든 강력한 초전도 전자석이 자기부상열차의 부상과 초고속 추진을 가능하게 합니다.