절대온도가 되면 저항이 없어지는 원리가 궁금합니다.
유튜브에서 절대 영도로 내려가면 초전도 현상이 발생하고 전류의 자항이 없어지는 원리가 궁금합니다. 단순히 온도가 내려가는 것만으로 저항이 없어질 수 있는 건가요?
안녕하세요. 김경태 과학전문가입니다.
절대온도가 되면 저항이 없어지는 원리는 수학적으로 설명이 가능하며, 이를 "제로온 (Zero-Point Energy)" 현상이라고도 합니다.
이론적으로, 모든 물질은 원자들과 분자들로 이루어져 있습니다. 이들 입자들은 진동 운동을 하며, 이 진동 운동으로 인해 열 운동에너지가 발생합니다. 절대온도에 도달하면, 이 진동 운동의 최소 운동량인 제로포인트 에너지(zero-point energy)는 최소값이 됩니다.
이 때, 제로포인트 에너지는 원자나 분자의 진동 운동으로 인해 발생하는 운동에너지이므로, 이 운동 에너지를 극복할 수 있는 충분한 에너지를 가진 전자가 없다면, 원자나 분자는 운동할 수 없습니다. 따라서, 절대온도에 도달하면, 전자가 가지고 있는 열 운동에너지가 부족해져, 원자나 분자 내의 전자가 움직일 수 없게 되고, 결과적으로 전기 저항이 없는 현상이 발생하게 됩니다.
이러한 이유로, 절대온도에서는 금속 등의 전기 전도체의 전기 저항이 거의 0에 가깝게 되는 것입니다.
안녕하세요. 김학영 과학전문가입니다. 초전도 현상은 물질 내의 전자들이 상호작용하면서 나타나는 현상입니다. 일반적인 전자의 전류는 전자와 물질의 원자, 이온, 결합 등과 상호작용하면서 발생하는 에너지 손실에 의해 전류가 방해받습니다. 이 때문에 전자의 전류는 항상 저항을 가지게 됩니다.
하지만 극저온에서는 물질 내의 전자들이 정렬되는 현상이 나타나게 되는데, 이를 쿠퍼쌍(Cooper pair)이라고 합니다. 쿠퍼쌍은 양자역학적 효과로 상호작용하는 전자 쌍이며, 이들은 특별한 조건에서만 형성됩니다.
극저온 상태에서 쿠퍼쌍이 형성되면 전자의 상호작용이 증가하게 되고, 이로 인해 전자의 질량과 전하가 변화하게 됩니다. 그 결과, 전류가 원활하게 흐를 수 있는 경로가 형성되고, 전자의 에너지 손실이 매우 작아져서 전류가 거의 저항 없이 흐르게 됩니다.
따라서, 초전도 현상은 단순히 온도가 내려가는 것만으로는 발생하지 않습니다. 온도가 내려가면 물질 내의 전자들이 양자역학적인 현상에 의해 쿠퍼쌍을 형성하고, 이를 통해 전자의 상호작용이 증가하여 전류의 저항이 없어지게 됩니다.
안녕하세요. 김경욱 과학전문가입니다.
영도 절대온도(0 Kelvin)는 -273.15도입니다. 이 절대온도에서 모든 물질의 분자는 정지 상태이며, 열의 운동이 없습니다. 이때, 전자의 운동이 제로 포인트 에너지에 근접하여, 전기 저항이 완전히 사라지게 됩니다. 이것은 전자의 운동에 의해 발생하는 물질의 내부 에너지와 상관이 있습니다. 전자의 운동에 따라, 이러한 물질의 원자와 분자들은 양전하와 음전하를 가집니다. 이전까지는 전자가 움직일 때 충돌이 일어나며 전기 에너지가 발생하였지만, 영도 절대온도에서는 전자의 운동이 완전히 중지되며, 전기 에너지가 발생하지 않게 됩니다. 따라서, 모든 물질이 절대온도에서 전기 저항이 없어지게 됩니다. 이러한 현상은 저온 물리학 연구에 매우 중요하며, 초전도체의 개발과 관련하여 응용되고 있습니다.
