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안녕하세요 빈트코인입니다!

오늘은 요즘 이슈인

초전도체에 대해서 공부해보려고합니다!

매일매일 새로운 초전도체관련 뉴스들이 나오고있는데요

과연 초전도체란 무엇일지 

저와 함께 알아보시죠!!

초전도체는 전기 저항이 0이고 임계 온도 이하로 냉각되면 자기장을 방출하는 물질입니다. 이 현상은 1911년 네덜란드의 물리학자 하이케 카머링흐 온네스가 극도로 낮은 온도에서 수은에서 전기 저항이 갑자기 사라지는 것을 관찰하면서 처음 발견되었습니다. 전이 온도(Tc)라고도 알려진 임계 온도는 각 초전도 물질에 고유하며 일반적으로 실온보다 훨씬 낮습니다.

초전도성의 원리:

전기저항 영점: 임계온도 이상의 온도에서 초전도체는 유한한 전기저항을 가진 일반 금속처럼 행동합니다. 그러나 임계온도 이하로 온도가 낮아지면 전기저항이 갑자기 영점으로 떨어집니다. 이것은 초전도 물질이 저항으로 인한 에너지 손실 없이 전기를 전도할 수 있게 합니다.

마이스너 효과: 초전도체가 임계 온도 이하로 냉각되면, 그것은 마이스너 효과라고 불리는 현상을 보입니다. 마이스너 효과에서, 초전도체는 내부로부터 거의 모든 자기장을 방출하여, 그것이 완벽하게 반자성이 되도록 합니다. 이것은 자석 위로 초전도체를 공중부양시키는 것으로 이어지는데, 이것은 초전도 공중부양 장치에서 종종 입증되는 현상입니다.

지속 전류: 초전도 물질이 전류를 받은 후 임계 온도 이하로 냉각되면 외부 전원 없이 무한히 일정한 전류를 유지할 수 있습니다. 이 현상은 지속 전류라고 알려져 있으며 전기 저항이 없기 때문에 발생합니다.

임계 자기장: 초전도체는 임계 자기장(Hc)으로 알려진 일정량의 외부 자기장을 견딜 수 있습니다. 이 임계 자기장을 넘어서면 초전도성이 파괴되고 물질은 저항으로 정상 상태로 돌아갑니다.

초전도체 유형:

초전도체는 성질과 행동에 따라 크게 두 가지 유형으로 분류됩니다:

I형 초전도체: 이것들은 마이스너 효과를 나타내며 단일 임계 자기장을 갖는 초전도 물질입니다. 그들은 임계 온도 이하로 냉각되면 모든 자기장을 방출합니다. I형 초전도체는 일반적으로 납과 수은과 같은 원소 초전도체입니다.

Type II 초전도체: 이 물질들은 자기장에 노출될 때 혼합 상태를 나타냅니다. 그들은 자속이 소용돌이라고 불리는 양자화된 자속선의 형태로 내부를 침투하도록 허용합니다. Type II 초전도체에는 두 개의 임계 자기장이 있습니다: 상부 임계장 (Hc2)과 하부 임계장 (Hc1). 그들은 강한 자기장이 있는 상태에서 더 높은 전류를 운반할 수 있는 능력 때문에 더 넓은 실용적인 적용 범위를 가지고 있습니다. 많은 현대 고온 초전도체가 이 범주에 속합니다.

초전도체의 기술 및 응용:

냉각 기술: 초전도 상태를 유지하기 위해 재료를 임계 온도 이하로 냉각해야 합니다. 이 목적을 위해 사용되는 냉각 기술은 다음과 같습니다:

a. 액체 헬륨: 가장 일반적인 방법은 액체 헬륨으로 냉각하는 것으로 절대영도(0K 또는 -273.15°C)에 가까운 온도를 얻을 수 있습니다.

b. 냉동기: 기계적, 전기적, 열역학적 냉각 기술의 조합을 사용하여 초전도 범위 내의 온도를 달성할 수 있는 장치입니다.

c. 고온 초전도체: 일부 현대식 초전도체는 더 높은 온도에서 작동하여 액체 질소(77K 또는 -196.15°C)로 냉각할 수 있습니다. 이는 액체 헬륨보다 접근성이 높고 비용이 적게 듭니다.

자기 부상: 초전도체의 가장 매혹적인 응용 중 하나는 자기 부상입니다. 초전도체가 냉각되고 자기장에 근접하게 배치되면, 마이스너 효과로 인해 자석 위로 부상하여 마찰 없는 움직임을 초래합니다. 이것은 자기 부상 열차와 같은 운송 시스템에서 잠재적인 응용을 가지고 있습니다.

초전도 자석: 초전도체는 무저항 특성 때문에 전력을 소비하지 않고 믿을 수 없을 정도로 강한 자기장을 생산할 수 있습니다. 이러한 초전도 자석은 의료 영상 장치 (MRI), 입자 가속기 및 융합 반응기의 자기 구속을 포함하여 다양한 분야에서 응용됩니다.

에너지 전송: 초전도체는 전기 운송 중 에너지 손실을 줄여 효율성이 높은 전력 전송을 가능하게 합니다. 그러나 고온 및 상업적 규모의 작업에서 초전도 상태를 유지하는 데 어려움이 있기 때문에 이 응용은 여전히 제한적입니다.

초전도 전자 장치: 초전도 물질은 민감한 자기장 측정 및 고속 디지털 회로에 사용되는 초전도 양자 간섭 장치(SQUID)와 같은 특정 특수 전자 장치에 사용될 수 있습니다.

에너지 저장: 초전도 코일은 매우 낮은 손실로 전기 에너지를 저장할 수 있습니다.

대용량 에너지 스토리지 애플리케이션에 사용할 수 있습니다.

초전도 모터 및 발전기: 초전도체는 저항으로 인한 에너지 손실을 감소시켜 전기 모터 및 발전기의 효율과 전력 밀도를 향상시킬 수 있습니다.

놀라운 특성에도 불구하고, 초전도체의 광범위한 사용은 높은 냉각 비용과 낮은 온도에서 일부 재료의 취성에 의해 제한됩니다. 그러나 연구 개발은 기존의 초전도 재료를 계속 개선하고 새로운 응용을 탐구하여 초전도체를 다양한 기술에 혁명을 일으킬 가능성이 있는 흥미로운 분야로 만들고 있습니다.

그렇다면

초전도체는 미래에 어떤 분야에서 사용 될까요?

에너지 전송 및 저장:
초전도 전력 케이블은 에너지 손실을 최소화하면서 전기를 전송할 수 있어 장거리 전력 전송이 더 효율적입니다. 이는 추가 발전소의 필요성을 줄이고 재생 가능한 에너지원을 그리드에 통합하는 데 도움이 될 수 있습니다. 초전도 코일은 또한 대규모 에너지 저장에 사용될 수 있으며, 나중에 사용하기 위해 초과 전기를 저장할 수 있는 수단을 제공합니다.

운송 수단:
초전도체는 특히 고속철도와 자기부상열차에서 운송 시스템에 혁신을 일으킬 가능성이 있습니다. 초전도체를 사용한 자기부상열차는 열차와 선로 사이의 마찰을 제거하여 초고속 및 에너지 효율적인 운송 수단을 만들 수 있습니다. 게다가, 초전도 모터는 전기 자동차의 효율성과 범위를 향상시킬 수 있습니다.

약:
초전도 자석은 자기 공명 영상(MRI) 기계와 같은 의료 영상 장치에 널리 사용되며, 이러한 강력한 자석은 스캔에 필요한 시간을 최소화하면서 더 높은 해상도의 영상을 제공합니다. 초전도 기술이 향상됨에 따라 MRI 기계의 비용과 크기가 감소하여 의료 진단에 더 용이할 수 있습니다.

입자 가속기:
고에너지 물리학 연구에서 사용되는 것과 같은 입자 가속기는 입자를 유도하고 가속하기 위해 강력한 자석에 의존합니다. 초전도 자석은 큰 냉각 시스템 없이도 강한 자기장을 생성하여 입자 가속기를 더 효율적이고 비용 효율적으로 만들 수 있습니다.

핵융합 에너지:
초전도체는 뜨거운 플라즈마를 포함하기 위해 높은 자기장이 필요한 융합 원자로에서 자기 구속에 중요합니다. 초전도 자석을 사용함으로써 융합 원자로는 더 효율적이고 자체적인 융합 반응을 생성할 수 있으며, 사실상 무한하고 깨끗한 에너지원으로 이어질 수 있습니다.

양자 컴퓨팅 및 양자 기술:
초전도 큐비트는 양자 컴퓨팅의 선도적인 후보입니다. 초전도 회로를 기반으로 하는 양자 컴퓨터는 현재 고전 컴퓨터에서 다루기 어려운 복잡한 문제를 해결할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 초전도 장치는 양자 통신 및 감지 응용 분야에도 사용됩니다.

우주 탐험:
초전도체는 우주선과 우주 비행사들을 우주 방사선으로부터 보호하기 위해 가볍고 효율적인 전력 시스템과 자기 차폐와 같은 다양한 목적으로 우주 임무에 사용될 수 있습니다.

재료 과학 및 연구:
초전도체는 높은 분야의 자석 실험실과 새로운 양자 현상을 연구하는 데 사용될 수 있는 기초 연구에서 중요한 역할을 계속하고 있습니다.

전기 그리드 안정화:
초전도체는 무효 전력 보상 및 고장 전류 제한과 같은 그리드 지원 서비스를 제공하여 그리드 안정성을 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다. 이러한 응용 프로그램은 전기 배전 시스템의 신뢰성과 효율성을 향상시킬 수 있습니다.

산업 응용 프로그램:
초전도 장치는 전자기 분리 및 부상 시스템과 같이 자기장의 정밀한 제어가 필요한 산업 응용 분야에 사용될 수 있습니다.

이러한 분야에서 초전도체의 광범위한 채택은 여전히 높은 냉각 비용, 특정 초전도 재료의 취성 및 보다 강력하고 비용 효율적인 제조 기술의 필요성을 포함하여 도전에 직면하고 있다는 것을 유의해야 합니다. 그러나 지속적인 연구와 기술 발전은 초전도체의 잠재적인 적용을 지속적으로 확대하고 있으며 이러한 재료가 사회의 여러 부문에 크게 영향을 미칠 수 있는 미래에 가까워지고 있습니다. 우리나라에서 초전도체가 개발이 되기를 간절히 기도합니다!!