마이스너 효과는 초전도체가 자기장을 밀어내는 효과를 말한다.
초전도체(superconductor)는 초전도 전이 온도(superconducting transition temperature, Tc)라고 하는 특정 온도 이하에서 모든 전기 저항을 상실하는 물질을 말한다.
이 현상은 1911년에 네덜란드의 물리학자 오너스(H. K. Onnes)에 의해서 처음으로 발견되었다. 일반적으로 구리나 은과 같은 금속성 도체(metallic conductor)의 전기 저항은 온도가 낮아짐에 따라 점차 감소한다.
그러나 초전도체의 경우에는 Tc 이하로 냉각되면 갑자기 저항이 0인 완전 도체(perfect conductor)가 되고, 한 번 발생한 전류는 에너지 손실 없이 무한히 흐르며, 특징적으로 외부의 자기장(magnetic field)을 배척하는 마이스너 효과(Meissner effect)가 나타난다.
1986년에 페로브스카이트(perovskite) 구조를 갖는 몇 가지 구리 산화물 세라믹(ceramic) 물질의 Tc가 90K(-183℃) 이상임이 밝혀졌는데, 이러한 물질을 고온 초전도체(high-temperature superconductor)라고 부른다.
이 물질의 발견은 지난 30년 동안 가장 중요한 과학 발전 중의 하나로서, 초전도체는 화학, 물리, 재료 과학 분야에서 수많은 연구를 촉진해 왔으며, 향후 초고속 컴퓨터, 자기 부상 열차, 에너지 손실 없이 송전하는 전력선 개발을 이끌어 갈 것으로 기대되고 있다.
이 효과는 독일 물리학자 마이스너(W. Meissner, 1882-1974)와 오센펠트(R. Ochsenfeld, 1901-1993)에 의해 1933년 주석과 납으로 된 초전도체 주변의 자기장을 측정하면서 발견되었다.
초전도체를 일반인에게 소개 하면서 시각적으로 보여 줄 때 이 마이스너 효과를 많이 사용한다.
초전도체 위에 작은 영구 자석을 놓으면 마이스너 효과 때문에 자석이 밀리는 힘을 받고 이 힘이 자석의 무게을 상쇄시켜 자석은 공중에 떠 있게 된다.
그림1: 액체질소로 냉각된 초전도체의 위로 부양된 영구 자석
외부의 자기장에 놓여 있지만 그 내부에서 자기장이 영인 초전도체를 마이스너 상태에 있다고 한다.
이 경우 외부 자기장이 아주 강해지면 마이스너 상태가 깨진다.
이 깨지는 양상에 따라 초전도체를 유형 1 초전도체와 유형 2 초전도체로 나눈다.
유형 1 초전도체는 외부 자기장의 세기가 임계값을 넘어가는 경우 초전도체 성질이 급작스럽게 파괴된다.
유형 2 초전도체의 경우는 외부 자기장의 세기가 임계값을 넘어가면 혼합 상태가 된다.
혼합 상태는 자기장이 일부 초전도체의 내부로 침투하지만 전기저항은 여전히 영인 상태이다.
이때 자기장이 초전도체 내부에 보텍스(vortex)의 형태로 존재하기 때문에 혼합 상태를 보텍스 상태라고도 부른다. 한다.
혼합 상태의 보텍스에 수반하는 자기선속은 양자화되어 있다.
외부 자기장이 더 강해져서 두 번째 임계값을 넘어가면 초전도성이 없어진다.
현대적 해석에 따르면, 마이스너 효과는 양자전자기학에서의 힉스효과에 해당한다.
아벨리안 게이지 필드에 해당하는 전자기장의 벡터퍼텐셜은 초전도체 내부에서 힉스효과에 의해 질량을 얻고, 이 질량의 효과로 초전도체 내부에서 질량의 역수에 해당하는 거리 이상은 진행할 수 없게 된다.
이 거리는 초전도체의 런던 투과 거리에 해당한다.
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자기부상열차 [ Maglev ]
자기부상열차란 자기 반발력을 이용해 레일에서 낮은 높이로 떠서 달리는 열차를 말한다.
보통의 전기열차는 전기모터를 이용하여 바퀴의 추진력을 이용하여 바퀴가 레일 위를 따라 이동하는데 반해 자기부상열차는 낮은 높이로 떠서 달리기 때문에 레일과의 마찰이 없어 빠른 속도를 낼 수 있다. 자기부상열차에서 쓰이는 자석에 종류에 따라 전자석 방식, 영구자석 방식, 초전도자석 방식으로 나눌 수 있다. 전자석 방식은 그림 1과 같이 열차에 장착된 전자석의 반발력을 이용하는데 고속으로 주행할 때 레일과 열차 간의 부상 거리를 정확히 조정하는데 어려움이 있어 주로 중저속에 이용된다. 영구자석 방식은 강한 영구자석을 이용하더라도 부상력이 약한 단점이 있다. 초전도자석 방식은 최근 들어 고온 초전도체 등의 발견으로 강한 초전도자석을 만들 수 있어 이를 이용하면 부상 거리도 크게 할 수 있어 고속으로 주행 가능하다. 다만 초전도 상태를 유지하기 위해 액체 헬륨 등으로 냉각이 필요하다.
자기부상열차는 직선적으로 가속되는데 이를 위해 직선형 전동기를 활용한다. 직선형 전동기도 원리적으로는 회전형 전동기와 같으나 지상의 코일에 보내는 전류를 계속 반전시키면서 이에 따른 전자석의 극을 바꾸면서 차량에 내장된 자석을 끌게 하는 방식이다.
자기부상 열차에 대한 개발은 독일이 1969년에 처음 시작하여 1971년에 유인주행을 하였으며 우리나라는 1986년 도시형 자기부상열차 개발에 착수하여 2016년 인천공항 자기부상철도가 완공되었다.