초전도
쉽게 말하면
보통 금속에서 전기 저항은 전자가 이온의 진동이나 불순물에 부딪히며 에너지를 잃어서 생깁니다. 온도를 낮추면 진동이 줄어 저항이 작아지지만, 서서히 줄어들 뿐 0이 되지는 않습니다. 그런데 어떤 물질은 임계 온도에서 저항이 갑자기 뚝 떨어져 0이 됩니다. 서서히가 아니라 계단처럼 떨어진다는 점이 이것이 새로운 상태라는 신호입니다. 이 현상은 액체 헬륨으로 수은을 식히던 카메를링 오너스가 1911년에 처음 발견했습니다.
설명은 양자역학 기초에서 나옵니다. 낮은 온도에서 전자들이 격자의 진동을 매개로 둘씩 짝을 짓습니다(쿠퍼 쌍). 전자 하나는 스핀이 이라 같은 상태에 둘이 못 들어가지만, 두 개가 짝을 지으면 스핀이 정수가 되어 수많은 쌍이 전부 같은 양자 상태로 몰려들 수 있습니다. 그 결과 전자 하나를 따로 산란시켜 에너지를 뺏는 일이 불가능해집니다 — 짝 전체를 깨야 하는데 그러려면 최소 에너지가 필요하고, 낮은 온도에서는 그만한 에너지가 공급되지 않기 때문입니다. 저항이 0인 이유가 이것입니다.
또 하나의 특징이 마이스너 효과입니다. 초전도체는 내부의 자기장을 완전히 밀어냅니다. 표면에 저항 없는 전류가 흘러 내부 자기장을 정확히 상쇄하는 자기장을 만들어 내기 때문입니다. 자석 위에 초전도체를 놓으면 뜨는 것이 이 때문이고, 자기 부상 열차가 여기서 나옵니다.
미시 세계에서만 보이던 양자 효과가 손에 잡히는 크기에서 드러나는 드문 사례라는 점에서, 초전도는 양자역학이 '작은 것에만 적용된다'는 오해를 정면으로 반박하는 현상이기도 합니다.
이렇게 나타납니다
-
예시 1자석 위에 뜬 초전도체액체 질소로 식힌 초전도체를 자석 위에 올리면 공중에 뜬 채 멈춥니다. 자기장이 초전도체 안으로 들어가지 못하고 밀려나기 때문입니다. 단순히 반발하는 것이 아니라 옆으로 밀어도 제자리로 돌아오도록 붙잡히는데, 이는 실제 물질에서 자기장 다발 일부가 특정 지점에 고정되기 때문입니다.
-
예시 2MRI의 전자석MRI는 아주 강하고 흔들림 없는 자기장이 필요합니다. 보통 전자석으로 그 세기를 내려면 엄청난 전력이 열로 낭비됩니다. 초전도 코일을 쓰면 저항이 0이라 한 번 전류를 흘려 놓으면 전력 소모 없이 자기장이 유지됩니다. 대신 코일을 계속 극저온으로 유지해야 합니다.
-
예시 3왜 아직 송전선에 쓰지 않는가저항이 0이니 송전 손실이 없을 것 같지만, 초전도 상태를 유지하려면 냉각 장치를 계속 돌려야 하고 그 비용이 절약되는 전력보다 큽니다. 상온에서 작동하는 초전도체를 찾는 연구가 계속되는 이유입니다.
완전 도체(저항만 0)와 초전도체의 차이
| 구분 | 저항만 0인 도체(가상) | 실제 초전도체 |
|---|---|---|
| 전기 저항 | 0 | 0 |
| 자기장을 걸어 둔 채 식히면 | 내부 자기장이 그대로 남음 | 내부 자기장을 밖으로 밀어냄(마이스너 효과) |
| 결론 | 저항이 0인 것만으로는 설명 안 됨 | 초전도는 별개의 새로운 상(狀) |
자주 하는 오해
선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요
이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다
같은 단원의 개념 — 양자와 미시세계
자주 묻는 질문
Q1임계 온도는 물질마다 다른가요?
Q2'상온 초전도체'가 왜 그렇게 큰 뉴스가 되나요?
Q3초전도체 안에 자기장이 전혀 못 들어가나요?
같은 단원에서 양자 효과가 기술로 이어지는 다른 갈래로는 양자 기술 응용이 있습니다.
전체 연결 구조가 궁금하다면
초3~고3 과학 646개 개념의 연결을 한 화면에서 탐색할 수 있습니다.
초전도 지도에서 확인하기 →