공중부양의 원리 초전도체

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공중부양의 원리 초전도체

Chemical/재미있는 화학 이야기 2013/06/10 08:00

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어릴 때 즐겨 시청했던 스펀지라는 프로그램에서 처음 초전도체를 접하게 되었습니다. 어떤 물체가 공중에 둥실둥실 떠 있던 것이 어린 제게는 그저 신기하게 보이기만 했어요. 대학에 들어와 공과대학 전공수업 중에 초전도체를 실험할 기회가 생겼는데요, 스펀지에서 보고 느꼈던 공중부양 원리에 대한 신기함과 더불어 제가 직접 경험할 기회를 갖는다는 설렘에 매우 두근거리며 실험에 임했던 기억이 있습니다. 

그래서 이번에는 어린날 저를 호기심의 세계로 이끌었고, 전공학생이 되어서는 설레는 실험주제였던 ‘초전도체’에 대해 소개해 드릴까 합니다.  

그럼, 천리길도 한 걸음부터라고 ‘초전도체’에 대해 설명부터 하겠습니다. 

초전도체의 기원은 네덜란드의 물리학교수 카멜린 온네스가 액체헬륨을 이용하여 수은을 냉각시켜 전기저항을 측정하던 중에 수은의 전기저항이 갑자기 없어지는 현상을 발견하였습니다. 이때부터 초전도체란 것이 시초이며, 이것을 공로로 인정받어 노벨물리학상을 받게 됩니다. 그럼 초전도체란 무엇인지 시작하기 전에… 도체, 부도체란 것에 대해 아주 간단히 말해 드리겠습니다. 물질은 일단 전기가 흐르는 물체를 도체, 흐르지 않는 물체를 부도체 이렇게 나뉘게 됩니다.

그리고 부도체에 다른 물질을 첨가, 조작함으로써 일시적으로 전기가 흐르는데 이러한 물질을 반도체라고 합니다. 이는 전기저항이라는 것 때문에 전기가 흐르지 않게 되고, 전기저항으로 도체, 부도체, 반도체가 나뉘게 되는 겁니다.

누군가 나를 공격하면 어떻게 할까요?? 공격에 대해 저항을 해야 되지 않겠습니까?? 마찬가지로 전기저항은 전기에 대해 저항하는 거라고 보면 됩니다. 도체는 전기가 흐르는 물질이지만, 이 세상에는 완벽한 물질은 없듯이 아무리 도체라도 전기저항이 존재합니다. 그런데 온도가  -196°C 이 되는 액체질소에 도체를 넣어 매우 낮은 온도로 감소시키면 위에서 설명한 전기저항이란 것이 0이 되고, 이것이 바로 ‘초전도체’ 가 되는 것입니다. 즉 정리해보면 초전도체란 것은 전기저항이 0인 도체 라고 보시면 되겠습니다. 

초전도체가 무엇인지는 대충 알았으니, 이것이 어떠한 성질을 나타내는지 알아보겠습니다.

초전도체 특성은 2~3가지가 존재합니다. 3가지 임계값을 갖는다던가..조셉슨 효과 등등 있지만 그 중에서 상식으로 알아두시면 도움이 되는 특성이 하나 있는데, 초전도체의 주요 성질인 ‘마이스너 효과’ 라는 특성입니다. 참고로 이 ‘마이스너 효과’는 470회 도전 골든벨 50번 문제로 출제되기도 했습니다. 고등학생들도 안다는 것. 그만큼 알아서 나쁠게 없겠죠. ‘마이너스 효과’가 아니라 ‘마이스너 효과’ 입니다. 이것은 독일의 물리학자인 ‘마이스너’와 ‘옥센펠드’가 발견해서, 그 이름을 따와 명명한 것입니다. 

위에 나타난 그림은 금속의 구를 자기장 안에 놓고 초전도 상태로 만들면 구 내부의 자기력 선속 밀도가 0이 되고, 이때 외부의 자기장을 제거하면 구의 내외의 자성이 완전히 사라지는 완전 반자성 상태를 보여주고 있습니다. 완전 반자성은 외부자기장이 초전도체내로 침투하는 것을 반대하는 성질을 말합니다. 영구자석의 자기장이 초전도체를 뚫고 지나가지 못하기 때문에 자력에 의해 초전도체가 밀려나서 초전도체가 자석위에서 공중부양하게 되는 현상을 나타내는 것이지요.

이 말을 예를 들어 쉽게 설명해보면, 스티로폼으로 된 공을 입으로 불어서 뜨게 만들 수 있는데, 만약 입으로 바람을 불 때 공기가 스티로폼 공을 통과해 버린다면 공이 뜰 수가 없겠죠??

이와 마찬가지로 자석 위에 초전도체를 올려 놓으면 자력(*자석이나 전류끼리, 또는 자석과 전류가 서로 끌어당기거나 밀어냄으로써 서로에게 미치는 힘을 의미합니다)이란 것이 발생하게 됩니다.. 그런데 자력이 초전도체를 통과하지 못하게 되게 되고, 그래서 결국엔 물질이 공중에서 둥실둥실하고 뜨게 되는 원리입니다.

잘 이해가 되셨나요? 지금까지 초전도체에 대해 간략하게나마 알아보았습니다.

자~ 그럼, 이제 초전도체가 어떻게 사용되고 있는지에 대해 알아보겠습니다. 대표적으로 ‘마이스너 효과’를 이용한 ‘자기부상 열차’입니다.

이는 철로 및 가드레일에 자석을 설치하고, 열차의 앞, 뒤, 옆면 바닥에 초전도체로 만든 코일(*도선을 감은 것)을 설치하여 액체질소(질소를 액체로 만든 것)를 이용해 수시로 냉각시켜 줘야 합니다. 때문에 비용이 만만치가 않겠죠. 지속적으로 냉각해주지 않으면 전기저항이 증가하게 되기 때문이에요.

알아보니 지금 이를 이용한 국가는 일본과 독일 두 나라가 이용하고 있고, 국내에선 아직 그다지 실용화되지 못한 것 같습니다. 그러나 조만간 인천공항에서 운영할 것으로 예상됩니다. 또한 대전에 있는 국립중앙과학관에서 자기부상열차를 시승할 수 있다고 합니다.

그리고 두 번째 입니다.

병원에서 볼 수 있는 ‘MRI-자기공명영상’에 초전도체가 사용됩니다.

인간의 몸은 2/3이 물로 이뤄져 있는데, 이를 이용해 자기장의 변화를 방사선 노출이나 절개 없이 몸의 내부를 파악할 수 있게 해주는 장치입니다. 또한 mri는 자기장(*자석이나, 전류, 변화하는 전기장 등의 주위에 자기력이 작용하는 공간) 이란 것을 이용해 물질을 분석원리입니다. 자기장이 셀수록 자세히 분석할 수 있죠. 근데 여기에 저항이 없는 초전도체를 이용하면 훨씬 강한 자기장이 만들어지게 되어서 자세히 분석할수 있다는 원리입니다.

마지막으로 초전도체는 전기저항이 0이라는 특성을 이용한 ‘초전도체 케이블’입니다.

기존 케이블에는 ‘구리’를 이용하였는데, 구리 사용시에 발전소에서 가정이나 회사 등의 건물까지 전기가 오는 동안 4%정도의 전기가 없어진다고 합니다. 4%.라....얼마 안되는거 같죠?? 그런데 4%를 생산 원가로 따져 연간으로 계산한다면 대략 5000억원 정도 된다고 합니다. 따라서 구리대신 초전도체를 이용하여 4%의 손실을 막을수 있겠죠. 여기 추가적으로 초전도체 케이블의 굵기가 구리 케이블의 1/3 정도 밖에 되지 않기 때문에, 땅속의 공간을 더욱 많이 활용할 수 있습니다.

초전도체에 대략적으로 알아보았습니다. 나름 최대한 쉽게 알수있도록 써봤는데...어떠셨는지 모르겠네요. 이번 원고를 쓰면서 자료조사하고, 예전에 썼었던 레포트도 다시 보고...까먹었던 것들이 조금씩 새록새록 기억나네요. 앞으로 초전도체에 대한 연구가 더욱 진행되어 많은 부분에 응용되었으면 하는 마음입니다. 

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Posted by 한화케미칼

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1. 권용현 2013/10/18 21:17  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

   초전도체위에 자석을 계속 띄워두려면 초전도체에 전류를 계속 흘려주어야하나요??

   • 한화케미칼 2013/10/29 09:55  댓글주소  수정/삭제

     안녕하세요, 권용현 님~ 답변이 늦어져서 죄송합니다.
     초전도체는 다른말로 '완전 반자성체'라고도 합니다.
     그것은 일단 초전도체 내에 와전류가 형성되면, 저항이 없으므로 이 와전류가 유지되고, 따라서 그 와전류에 의한 자기장이 유지되어 자석이 공중이 떠있게도 되고, 또 자석을 잡아 당기면 딸려 올라가기도 합니다. 이상적 초전도체라면, 와전류가 없어지지 않으므로... 추가적인 전류를 공급할 필요가 없습니다.

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