초전도 현상 이란? 상온 초전도 현상? 초전도체?

초전도 현상 이란? 상온 초전도 현상?

초전도 현상이란?

금속이 특정 온도 이하로 냉각되면 전기저항이 완전히 사라지고 전류를 무제한으로 흘려보내는 현상을 말한다.  전기 저항이 0이 되면 물질에 전류가 흐를 때 어떤 손실도 없이 영구히 전류가 흐를 수 있다. 이 현상을 초전도 현상이라 하는 것이다. 초전도 현상은 아주 낮은 온도에서 원자는 열에 의한 운동을 하지 않아 전자와 원자가 거의 충돌하지 않기 때문에 일어나는 현상이다.  전기 저항이 0이 되면 전류가 흘러도 열이 발생하지 않아 전력 손실이 발생하지 않는 것이다. 

 

이렇게 절대온도인 섭씨 영하 273도로 급속도로 냉각되면 전기저항을 잃고 전류를 무제한으로 흘려보내는 도체의 역할을 하는 물질이 있다. 이런 물질을 초전도체라 하고, 이러한 현상이 초전도현상이다. 전기저항이 완전히 사라지는 현상이 나타날 때의 온도를 전이 온도라 하고 물질에 따라 다른 값을 가진다. 

 

초전도 현상은 네덜란드의 물리학자 헤이케 카메를 링 오네스가 발견했다.  1911년 수은 금속선의 전기저항이 절대온도 4K(-269도) 이하에서 사라지는 현상을 최초로 발견한 것이다. 그는 이러한 초전도 현상에 대한 연구로 1913년 노벨 물리학상을 수상했다.

 

절대온도는 열역학 제2법칙에 따라 정해진 온도이다. 물리학에서 이론적인 온도의 최저점을 뜻한다. 0K는 섭씨 영하 273.15도에 해당한다. 즉, 절대온도는 -273˚C를 0˚로 한 것이다. 단위는 켈빈(K)이다. 영국의 물리학자 켈빈에 의해 수립된 개념이라 켈빈(Kelvin)의 글자를 따서 K를 단위로 한 것이다.

 

초전도 현상은 전기 저항이 0이 되고 열이 발생하지 않는 현상만 나타나는 것이 아니라 내부 자기장을 밀쳐내는 자기 부상 등과 같은 현상도 일어난다. 이러한 초전도 현상은 여러 분야에 응용될 수 있는데, 초전도 현상을 이용한 예로는 초전도 슈퍼컴퓨터, 초전도 양자 간섭 장치, 초전도 전기자동차, 초전도 전자 추진 선박, 자기 부상 열차, 초전도 베어링, 자기 공명 장치(MRI), 핵융합 등이 있다.

 

상온 초전도 현상?

이러한 초전도 현상은 아주 낮은 온도인 절대 온도 0K 부근에서 일어나는 현상이라 실용화하는데 어려움이 있었다. 그래서 과학자들은 너무 낮은 온도가 아닌 보다 높은 온도에서 초전도가 일어나는 물질에 대해 연구를 계속해서 해왔다. 최근에는 아주 낮은 온도가 아닌 평상시 온도인 상온에서 초전도 현상이 실현되는 연구 결과가 나왔다고 한다. 상온에서 전기저항이 0이 되는 상촌 초전도 물질이 개발된 것이다.

 

미국 로체스터대의 랑가 다이 어스 교수 연구진이 섭씨 15도에서 전기 저항이 사라지는 초전도 현상을 실현했다고 한다. 과학 저널 네이처에 다이아몬드 사이에 황과 수소, 탄소를 섞은 물질에 초고압을 걸어준 결과 영상 15도에서 전기 저항이 없는 상온 초전도 현상이 나타났다고 발표했다.

 

발전소에서 전기를 생산해 각 가정에 공급되는 송전 과정에서 많은 전력 손실이 있다고 한다. 일상 온도인 상온에서 전기 저항이 0이 되어 전력 손실을 없앨 수 있는 이러한 기술이 더 발전해서 실용화된다면 전류를 손실 없이 보낼 수 있어 에너지 기술발전에 획기적인 기여를 할 것으로 보인다. 자기 부상 열차뿐 아니라 더 빠르고 효율적인 새로운 교통수단도 만들어 낼 수 있을 것이다.

 

참고로 저항이란?

저항은 전류를 운반하는 전하입자와 도체 구조를 이루는 고정된 입자 사이의 충돌로 생긴다. 저항은 전기저항이라고도 하고, 전류의 흐름을 방해하는 요소를 말한다. 저항을 나타내는 단위는 옴이고, 저항은 도선이나 전송선과 같은 회로의 모든 부분에 포함된 특성이라 할 수 있다. 저항은 도체의 물질에 따라 달라지는데 도체나 회로 소자의 저항은 대개 온도가 높아지면 증가한다. 어떤 도체들은 아주 낮은 온도로 내려가면 저항이 0이 된다. 이러한 물체에서 전하를 이동시켜 전류를 통하게 하는 원동력인 기전력을 제거하더라도 전류는 계속 흐르게 되며 이를 초전도체라고 한다. 전선의 저항을 줄이려면 전선을 저항이 작은 금속으로 만들거나 굵게 만들어야 한다. 도선의 길이가 짧고 굵을수록 저항이 작다.