초전도성

도체는 극저온(절대 영도 부근, 약 -273°C)으로 냉각될 때 모든 전기 저항을 잃습니다. 초전도성은 온도가 감소함에 따라 점차적으로 저항을 잃는 대부분의 전도체 경향에 대한 단순한 외삽이 아님을 이해해야 합니다. 오히려, 유한에서 무로 저항의 갑작스러운 양자 도약입니다. 초전도 물질은 약간의 전기 저항이 아니라 절대적으로 0입니다. .

초전도 현상은 1911년 네덜란드 라이덴 대학의 H. Kamerlingh Onnes에 의해 처음 발견되었습니다. 불과 3년 전인 1908년에 Onnes는 헬륨 가스를 액화하는 방법을 개발했습니다. 절대 영도보다 몇 도 더 높습니다. 이렇게 낮은 온도로 냉각될 때 수은의 전기 저항 변화를 조사하기로 결정한 그는 저항이 아무것도 떨어지지 않는다는 것을 발견했습니다. 헬륨의 끓는점 바로 아래에 있습니다.

초전도 물질이 초전도체에 대해 정확히 어떻게 그리고 왜 그런지에 대한 약간의 논쟁이 있습니다. 한 이론은 전자가 함께 그룹화되고 쌍으로 이동한다고 주장합니다(쿠퍼 쌍 ) 독립적으로 여행하기 보다는 초전도체 내에서 움직이며, 이는 마찰 없는 흐름과 관련이 있습니다. 흥미롭게도 초저온의 또 다른 현상인 초유동성 , 특정 액체(특히 액체 헬륨)에서 발생하여 분자의 마찰 없는 흐름을 초래합니다.

초전도성은 전기 회로에 대한 놀라운 능력을 약속합니다. 도체 저항을 완전히 제거할 수 있다면 표유 저항으로 인한 전력 손실이나 전력 시스템의 비효율이 없을 것입니다. 전기 모터는 거의 완벽하게(100%) 효율적으로 만들 수 있습니다. 일반적으로 고유한 와이어 저항으로 인해 이상적인 특성이 손상되는 커패시터 및 인덕터와 같은 구성 요소는 실용적인 의미에서 이상적으로 만들 수 있습니다. 이미 실용적인 초전도 도체, 모터, 축전기가 개발되었지만 초저온을 유지하는 데 본질적인 문제가 있어 현재로서는 사용이 제한적입니다.

초전도체가 정상 전도에서 초전도로 전환하는 임계 온도를 전이 온도라고 합니다. . "고전적인" 초전도체의 전이 온도는 극저온 범위(절대 영도에 가까움)에 있지만 더 따뜻한 온도에서 초전도하는 "고온" 초전도체 개발에 많은 진전이 있었습니다. 한 유형은 이트륨, 바륨, 구리 및 산소의 세라믹 혼합물로 비교적 온화한 -160°C에서 전환됩니다. 이상적으로는 초전도체가 주변 온도 범위 내에서 작동하거나 최소한 저렴한 냉동 장비 범위 내에서 작동할 수 있어야 합니다.

이 표에는 몇 가지 일반적인 물질에 대한 임계 온도가 나와 있습니다. 온도는 섭씨 온도와 동일한 증분 범위를 갖는 켈빈 단위로 제공되며(1켈빈의 증가 또는 감소는 섭씨 1°와 동일한 온도 변화량임) 0K가 절대 영도가 되도록 오프셋만 지정합니다. 이렇게 하면 많은 부정적인 수치를 다룰 필요가 없습니다.

자료 요소/합금 임계 온도(K) 알루미늄원소1.20카드뮴원소0.56납원소7.2수은원소4.16니오븀원소8.70토륨원소1.37주석원소3.72티타늄원소0.39우라늄원소1.0아연원소0.91니오븀/주석합금18.1황화제2구리화합물1

초전도 물질은 자기장과 흥미로운 방식으로 상호 작용합니다. 초전도 상태에서 초전도 물질은 모든 자기장을 배제하는 경향이 있는데, 이를 마이스너 효과라고 합니다. . 그러나 자기장 강도가 임계 수준 이상으로 강화되면 초전도 물질은 초전도가 되지 않습니다. 다시 말해, 초전도 물질은 너무 강한 자기장에 노출되면 초전도성을 잃게 됩니다(얼마나 차갑게 만들든). 사실, 모든 존재 자기장은 모든 초전도 물질의 임계 온도를 낮추는 경향이 있습니다. 자기장이 많을수록 물질이 초전도되기 전에 더 차갑게 만들어야 합니다.

이것은 모든 도체를 통과하는 전류가 자기장을 생성하기 때문에 회로 설계에서 초전도체에 대한 또 다른 실질적인 제한입니다. 초전도 와이어가 전류에 반대하는 저항이 0이더라도 여전히 한계가 있습니다. 임계 자기장 제한으로 인해 해당 전선을 실제로 통과할 수 있는 전류의 양.

특히 최근(1987) 이트륨-바륨-구리-산소 세라믹이 등장한 이후로 초전도체의 산업적 응용이 이미 몇 가지 있습니다. 이 세라믹은 액체 헬륨과 달리 액체 질소만 냉각하면 됩니다. 고등학교 실험실에서 작동할 수 있는 교육 공급업체로부터 초전도 키트를 주문하는 것도 가능합니다(액체 질소는 포함되지 않음). 일반적으로 이 키트는 액체 질소 수조로 냉각된 초전도 디스크 위에 작은 자석을 공중에 매달아 마이스너 효과에 의해 초전도성을 나타냅니다.

초전도 회로가 제공하는 제로 저항은 독특한 결과를 초래합니다. 초전도 단락에서는 인가 전압이 0인 상태에서도 대전류를 무한정 유지할 수 있습니다!

초전도 물질의 고리는 전압이 가해지지 않은 상태에서 수년간 연속 전류를 유지하는 것으로 실험적으로 입증되었습니다. 누구나 아는 한, 초전도 회로에서 비보조 전류가 얼마나 오래 지속될 수 있는지에 대한 이론적인 시간 제한은 없습니다. 이것이 영구 운동의 한 형태로 보인다면 , 당신이 맞습니다! 대중의 믿음과는 달리, 영구 운동을 금지하는 물리학 법칙은 없습니다. 오히려 금지는 소비하는 것보다 더 많은 에너지를 생성하는 모든 기계 또는 시스템을 금지합니다(과도한 단일성이라고 함). 장치). 기껏해야 모든 영구 운동 기계(초전도 반지와 같은)는 저장하는 데 적합합니다. 생성이 아닌 에너지 자유롭게!

초전도체는 또한 옴의 법칙과 관련이 없는 몇 가지 이상한 가능성을 제공합니다. 그러한 가능성 중 하나는 Josephson Junction이라는 장치의 구성입니다. , 일종의 릴레이 역할을 하여 한 전류를 다른 전류로 제어합니다(물론 움직이는 부분은 없음). Josephson Junctions의 작은 크기와 빠른 스위칭 시간은 반도체 트랜지스터를 사용하는 대안인 새로운 컴퓨터 회로 설계로 이어질 수 있습니다.

검토:

<울>

초전도체는 전기 저항이 절대적으로 0인 물질입니다.

현재 알려진 모든 초전도 물질은 주변 온도보다 훨씬 낮은 온도에서 초전도체로 냉각되어야 합니다. 그렇게 하는 최대 온도를 전환 온도라고 합니다. .

관련 워크시트:

<울>

전압, 전류 및 저항 워크시트

도체의 비저항 워크시트