도체는 초저온(절대 영도 근처, 약 -273° 섭씨)으로 냉각되면 모든 전기 저항을 잃습니다. 초전도성은 온도가 낮아짐에 따라 점차 저항을 잃는 대부분의 도체 경향을 외삽한 것이 아니라, 유한에서 무로의 저항률의 갑작스러운 양자 도약이라는 점을 이해해야 합니다. 초전도성 물질은 전기 저항이 전혀 없으며, 소량의 .
초전도성은 1911년 네덜란드 라이덴 대학의 H. 카메를링 오네스가 처음 발견했습니다. 그로부터 불과 3년 전인 1908년에 오네스는 헬륨 가스를 액화하는 방법을 개발했는데, 이 방법을 사용하면 실험 대상을 절대 영도보다 몇 도만 더 과냉각할 수 있었습니다. 이렇게 낮은 온도로 냉각했을 때 수은의 전기 저항이 어떻게 변하는지 조사하기로 결심한 그는 헬륨의 비등점 바로 아래에서 수은의 저항이 0 으로 떨어지는 것을 발견했습니다.
초전도체 물질이 초전도성을 띠는 정확한 방법과 이유에 대한 논란이 있습니다. 한 이론은 전자가 초전도체 내에서 독립적으로 이동하는 것이 아니라 쌍으로( 쿠퍼 쌍 이라고 함 ) 그룹화되어 이동하며, 이는 마찰 없는 흐름과 관련이 있다고 주장합니다. 흥미롭게도, 초저온의 또 다른 현상인 초 유동성은 특정 액체(특히 액체 헬륨)에서 발생하여 분자의 마찰 없는 흐름이 발생합니다.
초전도성은 전기 회로에 놀라운 능력을 약속합니다. 도체 저항을 완전히 없앨 수 있다면, 부유 저항으로 인한 전력 시스템에서 전력 손실이나 비효율성이 없을 것입니다. 전기 모터는 거의 완벽하게(100%) 효율적으로 만들 수 있습니다. 이상적인 특성이 일반적으로 내재된 전선 저항에 의해 망가지는 커패시터와 인덕터와 같은 구성 요소는 실용적인 의미에서 이상적으로 만들 수 있습니다. 이미 일부 실용적인 초전도 도체, 모터 및 커패시터가 개발되었지만, 현재로서는 초저온을 유지하는 데 내재된 실용적인 문제로 인해 사용이 제한적입니다.
초전도체가 정상 전도에서 초전도로 전환되는 임계 온도를 전이 온도 라고 합니다 . "고전적" 초전도체의 전이 온도는 극저온 범위(절대 영도 근처)에 있지만, 더 따뜻한 온도에서 초전도하는 "고온" 초전도체를 개발하는 데 많은 진전이 있었습니다. 한 유형은 비교적 온화한 -160°C에서 전이하는 이트륨, 바륨, 구리 및 산소의 세라믹 혼합물입니다. 이상적으로 초전도체는 주변 온도 범위 내에서 또는 적어도 저렴한 냉장 장비 범위 내에서 작동할 수 있어야 합니다.
이 표에는 몇 가지 일반적인 물질의 임계 온도가 나와 있습니다. 온도는 켈빈으로 표시되며, 섭씨 온도와 같은 증분 범위를 갖습니다(1 켈빈의 증가 또는 감소는 1° 섭씨와 같은 양의 온도 변화). 0 K가 절대 영도가 되도록 오프셋만 있습니다. 이런 식으로 많은 음수 수치를 다룰 필요가 없습니다.
재료원소/합금임계온도(K)
| 알류미늄 | 요소 | 1.20 |
| 카드뮴 | 요소 | 0.56 |
| 선두 | 요소 | 7.2 |
| 수은 | 요소 | 4.16 |
| 니오브 | 요소 | 8.70 |
| 토륨 | 요소 | 1.37 |
| 주석 | 요소 | 3.72 |
| 티탄 | 요소 | 0.39 |
| 우라늄 | 요소 | 1.0 |
| 아연 | 요소 | 0.91 |
| 니오븀/주석 | 합금 | 18.1 |
| 구리황화물 | 화합물 | 1.6 |
초전도 물질은 또한 흥미로운 방식으로 자기장과 상호 작용합니다. 초전도 상태에 있는 동안 초전도 물질은 모든 자기장을 배제하는 경향이 있는데, 이는 마이스너 효과 라고 알려진 현상 입니다. 그러나 자기장 강도가 임계 수준을 넘어 강해지면 초전도 물질은 비초전도성이 됩니다. 다시 말해, 초전도 물질은 너무 강한 자기장에 노출되면 (아무리 차갑게 만들어도) 초전도성을 잃습니다. 사실, 자기장의 존재는 모든 초전도 물질의 임계 온도를 낮추는 경향이 있습니다. 자기장이 많을수록 초전도되기 전에 물질을 더 차갑게 만들어야 합니다.
이것은 회로 설계에서 초전도체에 대한 또 다른 실질적인 제한 사항인데, 모든 도체를 통과하는 전류는 자기장을 생성하기 때문입니다 . 초전도 와이어는 전류에 대한 저항이 전혀 없더라도, 임계 자기장 한계로 인해 와이어를 통과할 수 있는 전류량에는 여전히 한계 가 있습니다.
초전도체의 산업적 응용 분야는 이미 몇 가지가 있는데, 특히 최근(1987년) 액체 헬륨과 달리 액체 질소만 있으면 냉각할 수 있는 이트륨-바륨-구리-산소 세라믹이 등장한 이후로 그렇습니다. 고등학교 실험실에서 작동할 수 있는 교육 공급업체에서 초전도 키트를 주문하는 것도 가능합니다(액체 질소는 포함되지 않음). 일반적으로 이러한 키트는 Meissner 효과로 초전도성을 나타내며, 액체 질소 욕조로 냉각된 초전도 디스크 위에 작은 자석을 공중에 매달아 놓습니다.
초전도 회로가 제공하는 제로 저항은 독특한 결과를 초래합니다. 초전도 단락 회로에서는 인가 전압이 0인 상태에서도 큰 전류를 무한정 유지할 수 있습니다!
초전도체 물질의 고리는 전압을 인가하지 않고도 수년간 지속적인 전류를 유지할 수 있다는 것이 실험적으로 입증되었습니다. 아는 한, 초전도 회로에서 보조 없이 흐르는 전류가 얼마나 오랫동안 유지될 수 있는지에 대한 이론적인 시간 제한은 없습니다. 이것이 영구 운동 의 한 형태인 것 같다고 생각한다면, 맞습니다! 일반적인 믿음과는 달리 영구 운동을 금지하는 물리 법칙은 없습니다. 오히려 이 금지는 소비하는 것보다 더 많은 에너지를 생성하는 기계나 시스템( 초단위 장치 라고 함)에 반대합니다 . 기껏해야 영구 운동 기계(초전도 고리와 같은)는 에너지를 저장하는 데 유용할 뿐 , 무료로 생성하는 데 유용하지 않습니다 !
초전도체는 또한 옴의 법칙 과 아무런 관련이 없는 이상한 가능성을 제공합니다 . 그러한 가능성 중 하나는 조셉슨 접합 이라는 장치의 구성으로 , 일종의 릴레이 역할을 하여 한 전류를 다른 전류로 제어합니다(물론 움직이는 부품은 없습니다). 조셉슨 접합의 작은 크기와 빠른 스위칭 시간은 새로운 컴퓨터 회로 설계로 이어질 수 있습니다. 이는 반도체 트랜지스터를 사용하는 것에 대한 대안입니다.
검토:
- 초전도체란 전기 저항이 전혀 없는 물질입니다.
- 현재 알려진 모든 초전도 물질은 초전도 상태가 되기 위해 주변 온도보다 훨씬 낮은 온도로 냉각해야 합니다. 그렇게 되는 최대 온도를 전이 온도 라고 합니다 .