요즘 뜨는 정보 초전도체란 무엇일까?

초전도체란 전기 저항이 0인 물질을 가리킨다. 이 말은 전류가 초전도체를 통과할 때 전기에너지의 손실이 전혀 없다는 것이다. 이러한 현상은 매우 낮은 온도에서만 일어나며, 이를 '초전도 상태'라고 부른다.

 

2023.08.13 - [일상정보] - 초전도체는 누가 발견했나?

초전도 현상 또는 초전도체는 임계온도 이하의 초저온에서 금속, 합금, 반도체 또는 유기 화합물 등의 전기 저항이 갑자기 없어져 전류가 장애 없이 흐르는 현상이다. 어떤 물질이 전기 저항이 0이 되고 외부 자기장과 반대방향의 자기장을 형성하는 반자성을 띄게 되는 현상 또는 그러한 물체를 가리킨다.

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초전도체를 구현하기 위한 조건은 다음과 같다.

 

초전도 상태로 전이하기 위해서는 물질의 온도가 임계 온도 Tc이하로 내려가야 한다. 임계 온도값은 물질에 따라 다르며, 대부분의 초전도체들은 20K에서 1K이하의 낮은 값을 가진다. 고온 초전도체들은 90K 이상의 높은 값을 가지고 있으며, 액체 질소로 냉각할 수 있다.

 

초전도 상태에서는 외부 자기장을 밀쳐내거나 흡수하지 않고, 자기장과 수직인 방향으로 자기력선을 생성한다. 이를 마이스너 효과라고 부르며, 반자성을 나타낸다. 따라서 초전도 상태를 유지하기 위해서는 외부 자기장이 임계 자기장 Hc이하로 유지되어야 한다. 임계 자기장의 값은 물질과 온도에 따라 다르다.

 

초전도 상태에서는 전류가 에너지 손실 없이 흐르지만, 전류의 크기가 너무 커지면 초전도 상태가 깨진다. 이를 방지하기 위해서는 전류가 임계 전류 Ic 이하로 유지되어야 한다. 임계 전류 값은 물질과 온도에 따라 다르다.

 

초전도체의 다양한 활용방법

 

초전도체는 강력한 자석을 만드는데 사용될 수 있다. 예를들어, 대형 강입자 충돌기(LHC)에서는 초전도 코일을 통해 흐르는 초전류로 인해 강력한 자기장응ㄹ 생성하여 입자들을 가속화하고 조절한다.

 

초전도체는 자기 부상 열차의 원리를 구현하는데 사용될 수 있다. 예를들어, 일본의 JR-마그레브 열차는 고온 초전도체를 사용하여 열차와 선로사이에 강력한 반발력을 만들어 열차를 공중에 띄운다. 이렇게 하면 마찰력이 없어지고, 높은 속도와 효율성을 달성할 수 있다.

 

초전도체는 양자 컴퓨팅의 기초를 제공하는데 사용될 수 잇다. 조셉슨 접합은 초전도체와 절연체로 이루어진 회로로써, 양자 터널링 현상을 이용하여 양자 비트의 역할을 할 수 있다. 양자 비트는 0과 1의 상태를 동시에 가질 수 있으므로, 전통적인 컴퓨터보다 훨씬 빠르고 강력한 연산을 수행할 수 있다.

 

초전도체의 장점은 다음과 같다.

 

초전도체는 에너지 손실이 없기 때문에, 전기 전송과 저장에 효율적이다. 초전도 케이블은 일반 케이블보다 더 많은 전력을 더 적은 손실로 전달할 수 있다. 초전도 에너지 저장 장치는 에너지를 장기간 보관하거나 필요에 따라 방출할 수 있다.

 

초전도체는 강력한 자기장을 생성할 수 있기 때문에 다양한 과학적이고 의료적인 용도로 사용 될 수 있다. 초전도 가기 공명영상(NMRI)은 원자핵의 자기 모멘트를 이용하여 물질의 구조와 성질을 분석하는 기술로써, 초전도 자기공명 영상은 인체의 조직과 기관을 세밀하게 촬영하는 기술이다.

 

초전도체는 양자 현상을 관찰하고 활용할 수 있기 때문에 새로운 기술과 발견의 가능성을 열어준다. 양자 부상은 초전도체가 자기장에 의해 공중에 떠오르는 현상으로써, 양자 역학의 원리를 입증한다. 양자 컴퓨팅은 초전도체를 이용하여 양자 비트를 조작하고 연산하는 기술로서, 인공 지능과 암호화와 같은 분야에 혁신을 가져 올 수 있다.

 

초전도체의 단점은 다음과 같다.

 

초전도체는 매우 낮은 온도에서만 작동하기 때문에 냉각 장치가 필요하다. 이는 비용과 에너지를 많이 소모하며, 실용성을 저하시킨다. 고온 초전도체는 상대적으로 높은 온도에서 작동하지만 여전히 액체질소나 액체 헬륨과 같은 냉각제가 필요하다.

 

초전도체는 외부 자기장이나 전류가 너무 강하면 초전도상태가 깨지기 때문에 보호장치가 필요하다. 이는 복잡성과 위험성을 증가시킨다. 초전도 코일이 갑자기 정상 상태로 돌아가면 거대한 자기장이 사라지면서 열과 스파크가 발생할 수 있다.