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초전도체의 활용 평가C아쉬워요

“초전도체의 활용”- 목차 -Ⅰ. 서 론1. 초전도체의 정의 .............32. 초전도체의 역사 .............43. 초전도체의 이론 .............53.1 전기 저항과 임계 온도 .............53.2 임계 온도와 임계 자기장 ..........53.3 3가지 임계값 ........63.4 자기장보존의 법칙 ..63.5 조셉슨 효과 ...........73.6 마이스너 효과 ........73.7 초전도(Superconductivity)현.............21초전도체(SuperConductor)의 정의어떤 종류의 금속이나 합금을 절대영도(0 K:－273.16 ℃)가까이까지 냉각하였을 때, 전기저항이 갑자기 소멸하여 전류가 아무런 장애 없이 흐르는 현상. 초전기전도 초전도라고도 한다. 초전도가 일어나는 온도는 금속에 따라 다르다. 예를 들면 수은에서는 4.2 K인데, 주석 니오브의 어떤 종류의 합금에서는 18 K에서 초전도현상을 일으킨다. 그러나 외부에서 강한 자기장이 작용 하거나, 금속 내에 흐르고 있는 전류 자체에 의한 자기장이 어떤 한계를 넘으면 이 현상은 소멸되어 전기저항을 가진 보통 상태로 되돌아간다.1991년 최초로 초전도체를 발견한 사람은 네덜란드의 물리학자 오네스(Onnes)였다. 그는 1908년 기체헬륨을 압축하여 절대온도 4도(4K, 즉 -269℃)의 액체헬륨을 만들어내는데 성공하였고, 이 액체헬륨을 이용하여 물질의 온도를 절대 0도에 가깝게 냉각시킬 수 있었다. 이 액체헬륨을 이용하여 물질의 온도를 절대온도 0도에 가깝게 냉각시킬 수 있었다. 그래서 수은을 저온으로 냉각시키면서 전기저항을 측정하던 중 액체헬륨의 기화온도인 4.2K 근처에서 수은의 저항이 급격히 사라지는 것을 발견하였다. 이렇게 저항이 사라지는 물질을 사람들은 초전도체라 부르게 되었다.초전도 현상의 또다른 역사적 발견은 1933년 독일사람 마이스너(Meissner)와 오센펠트(Oschenfeld)에 의해 이루어졌다. 그들은 초전도체가 단순히 저항이 없어지는 것뿐만 아니라 초전도체 내부의 자기장을 밖으로 내보내는 현상(자기 반발 효과)이 있음을 알아냈다. 이러한 효과는 마이스너 효과(Meissner effect)라 불리우며 저항이 없어지는 특성과 더불어 초전도의 가장 근본적 특성으로 인식되어지고 있다.초전도체 위에 자석을 두면 자석에서 발생되는 자기장이 초전도체에 도달하게 되어 초전도체 내부에 자기장이 침투하게 된다.를 초전도체의 임계 온도는 질소의 액화 온도인 77K를 넘어서게까지 되었다. 임계 온도 이하에서 측정되는 전기 저항이 0이 되는지 혹은 매우 작게 되는지에 대한 여부는 논란이 많았다. 초전도체로 만든 솔레노이드로 초전도 상태에서 흐르는 전류의 감쇠와 관련된 자기장을 핵자기 공명(NMR)방법으로 정밀하게 측정해 본 결과, 초전도 전류의 감쇠 시간이 105년보다 더 길다는 결과를 얻었다. 따라서 실질적으로 초전도의 저항이 0이거나 거의 0(10-9Ω)에 가깝다고 할 수 있다.(2) 임계 온도와 임계 자기장임계 온도 이하의 온도에서 자기장이 크게 가해지면 초전도 상태가 사라지고 상전도 상태로 되돌아가며, 상전도 상태로 복원되기 시작할 때의 자기장을 임계 자기장이라고 한다. 임계 온도보다 충분히 낮은 온도로부터 온도를 올려가면 임계 자기장은 처음에는 별로 변화하지 않으나, 임계 온도에 가까워지면, 급속히 감소하여 임계 온도에서 제로로 되는 저항의 변화에 관계한다는 것이 밝혀졌다. 임게 온도와 임계 자기장 사이에는 다음과 같은 식이 성립한다. [ Hc(T)=Hc(0)[1-(Tc/T)2 ]여기서, Hc(0) 은 0K에서의 임계 자기장이고, Tc는 자기장이 가해지지 않았을 때의 임계 온도이다.(3) 3가지 임계값초전도체는 3가지 임계값(Critical Value)을 갖는다. 임계전류밀도(Critical Current Density;Jc), 임계자기장(Critical Magnetic Field;Hc), 임계온도(Critical Temperature;Tc)가 그 것들인데 초전도체는 이 범위안에 존재하여야만 성질을 유지할수 있다. 만약 이 세가지중 하나라도 범위를 넘어서게 되면초 전도체는 상전도체로 상전이하게 되는데 이를 Quench라 고 한다. 세가지 임계값의 대략적인 관계는 아래 그림과 같다.(4) 자기장보존의 법칙자기장보존의 법칙은 초전도회로에서 나타나는 현상으로 초전도상태가 되기 전의 초전도회로 내부의 자기장은 냉각이 되어 초전도체가 되고, 자기장의 변화가 있어도 항상 John Bardeen, Leon Cooper, 과 Robert Schrieffer는 초전도체가 왜 그렇게 거동하는 가를 쉽게 설명할 수 있는 아주 그럴듯한 이론 모델을 발견하였다. 그 모델은 양자역학의 진보된 이론으로 표현된 것이나, 주요 이론은 초전도체 내의 전자들이 양자기저상태로 응축하여 집합적이며 동일 위상으로 움직인다는 것을 제시한 것이다. 1972년에Bardeen, Cooper, 과 Schrieffer는 그들의 성을 따서 만들었기 때문에 지금은 BCS이론이라고 불리는 초전도이론을 발견한 업적으로 노벨 물리상을 수상하였다.(8) BCS이론초전도현상의 원인규명에 최초로 성공한 사람은 미국의 Bardeen ,Cooper, Schrieffer 세 사 람이였다. 1957년에 발표된 그들의 이론은 세 사람의 이니셜을따서 「B.C.S 이론」이라고 명 명되었고, 이것으로 이들은 노벨 물리학상을 수상했다. B.C.S 이론의 핵심은 두 개의 전자가 쌍(cooper pair)을 이룬 것이라고 할 수 있다.전자가 쌍을 이룬다는 것은 한 개의 전자가 격자의 진동이나 불순물 등에 충돌하더라도, 또 다른 한 개의 전자가 조정기관 같은 역할을 하여 전자의 진로에는 영향을 미치지 않도록 하 는 것이다. 초전도 상태에서 전기저항이 '0' 이 되는 것은 cooper pair가 어느정도의 평균속 도로 나아가고 있을 때 한 개의 전자가 저항을 받아도 쌍으로서는 전기저항을 받지 않는다 는 것이며 결국 평균속도는 떨어지지 않는다.상식적으로 전자는 똑같이 (-)전하를 갖고 있기 때문에 서로 반발하는 일은 있어도 서로 끌어당겨 쌍을 이룬다는 것은 있을 수 없는 것처럼 보인다. 그러나 여기서 격자진동이라는 것이 중요한 역할을 한다. 최초의 전자가 통과한 후에 격자진동이 매체가 되어 이온핵의 (+)전하가 접근하여 무리를 이루고, 다음전자를 끌어 당기는 것이다. 즉, 전자끼리 끌어당기 게 하는 힘이 발생하는 것이다.전자가 격자로부터 에너지를 받았다고 생각할 수 있는데 PHONON 이라고 부른다. 결 종래의 지하철은 급경사나 급커브를 지나지 못하여 노선을 자유롭게 설정할 수 가없었다. 하지만 자기부상열차를 도입하면 보다 유연한 노선설정이 가능하다.(8) 차체와 레일이 서로 맞물려 있는 형태이기 때문에 탈선의 위험이 적다.나. 단점(1) 초기 투자비용이 많이 든다.(2) 개발 초기 단계이기 때문에 경제성이 낮다.(3) 자기장이 인체에 미치는 영향이 증명되지 않았다.항목바퀴식 고속열차자기부상식열차기준목표운항속도300-350km/h500km/h소음약 71dB약 62dB250km/h에너지소비43WH좌석.kmTGV-A60WH좌석.kmTRANSRAPID건설비20억달러25억달러라스베가스-LA구간(370km)초전도체의 추세 (고온초전도체)초전도체에는 크게 두가지로 구분 할 수 있는데, 바로 저온초전도체와 고온초전도체이다. 먼저 저온초전도체는 임계전류밀도는 높지만, 임계자기장이나 임계온도는 상당히 낮은 편이다 고온 초전도체는 액화질소(LN2)를 냉매로 이용한다. 따라서, 저온초전도체에 비해 상당히 경 제적으로 유리한 입장이다. 하지만, 세라믹 계열이므로 연성 등이 부족하여 쉽게 깨지는 단점이 있다. 이로 인해 고온 초전도체로 선재를 만드는 것은 상당히 어렵게 된다. 이를 극복하기 위해 tape형태의 선재가 개발중이다. 하지만, bulk(덩어리)로 제작하여 기기를 만드는데 있어서는 상당히 유리하다. 현재 고온 초전도체를 이용하여 각종 전력기기 및 전자 디바이스 응용 분야로 연구가 많이 진행 중 이다.1986년부터 새로운 형태, 즉 비교적 높은 온도에서 초전도를 나타내는 금속 산화물로된 고온 초전도체가 발견되기 시작하였다. 이들의 임계온도가 100K이상인 것도 있으므로 비싼 액체 헬륨 대신 값싼 액체 질소(약 77K = -196℃에서 끓음)를 사용해서 냉각시켜도 초전도체를 얻을 수 있기 때문에 그 응용 범위가 매우 넓어졌다.고온 초전도체를 발견한 IBM취리히 연구소의 뮐러와 베드노르즈에세 1987년 노벨 물리학상의 영광이 돌아갔다. 1986년 1월 두 사람이 초전도 세라믹스이다.

공학/기술| 2012.11.07| 21페이지| 2,000원| 조회(938)

초전도체, 고온초전도체, 임계, 초전도체 응용

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