초전도체의 전·자기적 성질

목차

1. 무 저 항

2. 초전도체의 무저항
2. 완전 반자성
2.1 완전도체의 자기적 성질
2.2 초전도체의 특별한 자기적 거동

본문내용

산란되지 않고 지날 수 있는 것이 전자의
평면파 특성
- 결정의 주기성에서의 어떤 결핍은 전자파동을 산란시켜 저항을 나타냄
■ 결정격자의 완전한 주기성이 파괴되어 저항이 나타나는 두가지 영향
- 0K 이상의 온도에서 원자는 진동하여 그들의 평형위치로부터 일정하지 않은
값으로 변위된다.
- 이질 원자들이나 무질서하게 분포되어 있는 결함들이 완전한 주기성을 깨뜨린다.
☞ 온도가 낮아짐에 따라 원자의 열적 진동이 감소되어 전도전자들의 산란빈도가
줄어들기 때문이다.
■ 일반물질의 저항변화
- 선형적으로 감소되다가 온도가 떨어짐에 따라 점점 완만해짐
- 전자들은 격자 원자들의 열적 진동에 의한 산란 외에 불순물에 의해서도 산란됨
- 가장 낮은 온도에서도 어떤 잔류 비저항을 갖는다.
⇒ 불순물이 많은 물질일수록 더 큰 잔류 비저항을 갖는다
■ 초전도체의 저항변화
- 가상적으로 "완전한" 시편이 절대온도 0K로 냉각되었을 때 얻어질 수 있는 무저항은
초전도 현상이 아니다
- 일반적인 물질과 같이 감소되다가, 0K 위의 어떤 온도에 도달될 때 갑자기
전기저항을 잃게 되는 현상.
그림2. 낮은 온도에서 초전도체의 저항소멸
2. 초전도체의 무저항
■ 저항이 정확하게 영이라는 것을 실험적으로 증명할 수 없다.
■ 어떤 실험도 초전도 상태의 저항을 감지하지 못했다.
■ 저항이 없는 회로
- 저항이 없는 폐회로를 통과하는 총 자속은 그 회로가 저항을 가지지 않는
한 변하지 않는다.
■ 금속 링이 균일한 자속밀도 Ba의 외부자기장하에서 전이온도 이하로 냉각되었다고 가정
- 링에의해 둘러싸인 면적이 A라면 Φ=ABa의 자속량이 통과한다
그림3. 저항이 없는 회로
- 외부자기장이 변하면, Lenz의 법칙에 의해 자기장이변화면 전류가 유도된다.
- 전류는 외부자기장의 변화 때문에 생기는 자속의 변화를 반대로 상쇄시키는 자속이
발생하도록 하는 방향으로 흐른다.
- 자기장이 변하면, 기전력 -A dBa/dt가 생기며,
~~~~~-A { d{B}_{a} }over {dt } =~Ri +L {di } over {dt } ~~ (R ~:~ 회로의 총저항, ~~L~: ~인덕턴스)
에 의해서 유도전류 i가 생긴다
- 초전도 회로에서는 R=0
~~~~-A { dB}_{a} over {dt }~ =~L {di } over {dt }
이므로
Li + A Ba = 상수
- Li + A Ba 는 그 회로를 지나가는 총자속
☞ 저항이 없는 회로를 지나가는 총자속은 변하지 않는다는 것이 증명
- 회로가 저항이 없기 때문에 유도전류는 영원히 흘러, 초기 자속량은 영구히 유지된다.
- 외부자기장이 영이되어도 내부자속은 유도된 순환전류에 의해 계속 유지된다.
■ 외부자기장을 가하지 않은 상태에서 냉각되어 초기에는 내부에 자속이 존재하지
않게 된 후에 외부자기장이 가해진다면
⇒ 순 내부 자속은 외부 자기장 하에서도 영으로 유지된다.
- 속이 빈 긴 초전도 원통이 외부자기장을 차폐하는 것을 가능하게 한다
- 유도전류는 원통내부를 통과하는 자속밀도를 상쇄시키는 자속밀도 발생.
2. 완전 반자성
2.1 완전도체의 자기적 성질
■ 자기장이 없는데서 저항을 잃었을 때
- 자기장을 가하면 외부자기장에 의한 자속밀도와 크기는 같고 방향이 반대인
자속밀도를 생기게 하는 전류가 시편 표면에 유도된다.
☞종종 차폐전류라 불리어진다.
- 표면 전류에 의해 생기는 자속은 시편의 경계면에서 사라지지않고 그 자속선들은
시편외부 공간을 통하여 돌아오는 연속적인 폐곡선을 형성한다.
- 시편으로부터 생긴 자속과 외부자기장에 의해 생긴 자속과의 중첩에 의하여
생기는 자속의 순분포는 그림4와 같다.
- 외부자기장을 영으로 감소시키면 시편은 초기의 자화되지 않은 상태로 남게된다
그림4. 완전 반자성 물체에서의 자속분포
■ 외부자기장 Ba가 전이온도 이상에서 가해진 후 저항을 잃었을 때
- 가해준 자기장을 영으로 감소시키면 완전한 도체 금속안의 자속 밀도는 변할 수 없다
- 영구 전류가 시편 위에 유도되어 그 내부의 자속을 그대로 유지하여 영구적으로
자화되어 남게된다
☞ 완전한 도체의 자화상태는 외부 조건에 의해서 유일하게 결정되는 것이 아니라 조건에
도달하는 순서에 의존한다.
2.2 초전도체의 특별한 자기적 거동
2.2.1 Meissner 효과
- 초전도체에서의 자기장효과는 그림5에서 보여준 것과 같을 것이라고 가정되어 왔다.
- 초전도체는 그것의 내부에 자속밀도가 존재하지 않는 특성을 가진다
☞ 초전도체 안에서는 항상 B=0
- Meissner 효과 : 초전도체가 외부자기장하에 있을 때도 내부에 자속밀도는 존재할 수
없다는 것
- 초전도체 : 초전도 상태에서 내부의 자속밀도가 항상 영인 것
- 완전도체 : 그림 5에서 보여준 것과 같이 행동하는 가상적인 금속
☞ 초전도체의 자화는 도달한 경로에는 무관하다.
2.2.2 초전도체의 투자율 및 자화율
■ 자속밀도 Ba가 초전도체에 가해졌다.
- 물질속에 μrBa의 자속밀도를 생성시킨다.
- 강자성체 이외의 다른 금속은 μr = 1에 가깝다
- 외부자기장에의한 그들 내부에서의 자속밀도는 Ba와 같다.
- 초전도체 내부의 총 자속밀도는 영이다
- 완전반자성은 금속내에서 외부자기장에의한 자속밀도를 정확하게 상쇄시키는
자속밀도 Bi를 발생시키기 위하여 표면차폐전류가 순환하기 때문에 일어난다.
☞ Bi = -Ba
- 초전도체에 대하여 μr = 0 가되어 내부에서의 자속밀도 B = μrBa를 영이라
함으로써 완전반자성이 기술된다
- 외부자기장의 세기 Ha는
{H}_{a}~=~ {{B}_{a}} over {{μ}_{0} }
- 자기적인 물질에서 자속밀도는 외부자기장의 세기와
B = μ0(Ha+I)에 의해 주어진다
- I : 물질의 자화의 세기
- 초전도체에서는 B=0 이므로
I = -Ha
- 자화율 χ = -1이다
2.2.3 초전도체의 임계자기장(Hc)
- 1종 초전도체 : 완전히 정상상태가 될 때가지 완벽하게 자기장을 밀어냄.
- 2종 초전도체 : 하부임계 자기장(Hc1)과 상부임계 자기장(Hc2)을 가짐.
그림.1. 외부자기장에 따른 자화의 변화
<자료 정리 : 대학원 재료공학과 이해연>

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