공중부양 초전도체 > 초현상/초자연

초전도체는 전기저항이 없는 물체를 말한다. 초전도 현상은 보통 매우 낮은 온도에서 나타나며, 온도가 올라가면 사라진다. 초전도라고 하면 가장 먼저 떠오르는 것이 마이스너 효과에 의한 공중부양이다.

독일의 과학자 프리츠 발트 마이스너(Fritz Walther Meissner)가 발견한 현상으로 발견자의 이름을 따라 마이스너 효과(Meissner effect)라 이름 지었다.
마이스너는 로베르트 옥젠펠트(Robert Ochsenfeld)와 함께 1933년에 전도성 금속의 실험을 통해 이 현상을 발견하였다. 마이스너 효과는 초전도체가 자기장을 밀어내는 현상이다.

초전도체에 대한 다른 현상은 ‘자력의 끈’현상이다. 초전도체가 초전도성을 띄기 전에 자력을 초전도체 안에 통과시킨 후, 초전도체를 냉각하여 초전도성을 띄게 하면 초전도체 안에 들어온 자력이 초전도체 안에 갇히게 된다.
초전도체에 갇힌 자력은 영구자석과 자력의 끈을 만든다. 단단한 자력의 끈으로 결합되어 있는 두 물체는 외부에서 힘을 가해도 잘 떨어지지 않는다. 이를 ‘자력의 끈’현상이라고 한다.

참고로 자력의 끈 현상이 모든 초전도체에서 발견되는 것은 아니다. 초전도체는 1형(Type I)과 2형(Type II)로 나눌 수 있는데, 2형 초전도체에서만 나타난다.

마이스너 공중부양 실험에는 고온초전도체, 영구자석(네오디뮴-붕소-철), 액체질소(영하196도 이하)가 필요하다. 4개의 영구자석을 같은 극이 대각선으로 교차하도록 배열하면 초전도체가 안정적으로 부양하는 자력선 분포를 만들 수 있다.

자력은 사람의 눈에 보이지 않기 때문에 초전도 공중부양을 바라보는 사람에게는 초전도체 스스로 공중에 부양하는 것 같아 보이지만 실제로는 영구자석의 자력이 초전도체를 밀치고 있는 것이다.

자석의 자력이 강할수록 밀치는 힘이 커서 부양력이 크다. 영구자석 위에서 부양한 초전도체는 시간이 지나면 서서히 주저앉는다. 온도가 올라 초전도상태에서 벗어나기 때문이다.

*** 허공에 매달리다

영구자석위에서의 초전도체의 공중부양은 아주 널리 알려진 현상이다. 최근에는 초전도체 밑에 자석이 매달리는 (또는 자석 밑에 초전도체가 매달리는) 현상이 관찰되었다.

초전도체를 용기에 넣고 그 밑에 자석을 위치시킨 후 용기 안에 액체질소를 붓는다.
액체질소를 붓기 전에는 초전도체에는 초전도성이 없으므로 초전도체 아래에 위치한 영구자석의 자력이 초전도체를 통과한다. 온도를 초전도 온도 이하로 내리면 초전도체를 통과하던 자력이 초전도체 내에 갇히게 된다.

힘을 가해 영구자석을 냉각용기에서 떼어 낸 다음, 다시 붙이면 적당한 거리를 두고 영구자석이 초전도체 밑에 매달리게 된다. 초전도체에 갇힌 자력과 자석이 끄는 힘(자석의 끈), 마이스너 효과로 인한 반발력, 중력이 조화를 이루는 것이다. 고기잡이 효과(Fishing effect)라고 한다.

*** 초전도 자기부상의 원리

초전도 현상을 활용한 장치로 가장 널리 알려진 것이 자기부상열차이다. 동영상을 통해 자기부상열차의 원리를 이해해 보자. 영상에 보이는 레일은 영구자석을 원형으로 배치한 모형철길이다. 초전도체를 기차라고 생각하자.

우선 영구자석 선로위에서 초전도체를 냉각한다. 냉각이 완료되면 초전도체를 냉각용기에서 꺼내어 레일 위에 올려놓고 밀어 주면 초전도체가 선로 위를 떠서 가게 된다.

초전도체 원형 철길에서 원심력으로 이탈하지 않는 점이 신기한데, 그 이유는 선로의 자석과 초전도체가 앞서 설명한 ‘자석의 끈’효과에 의해 서로 잡아당기기 때문이다.

*** 초전도 에너지저장 원리

회전력과 초전도 공중부양을 결합시키면 에너지를 효과적으로 저장하는 장치를 만들 수 있다.

먼저 초전도체를 냉각시켜 완전반자성을 갖게 한 다음, 하부에 영구자석을 장착한 묵직한 중량체를 초전도체 위에 놓고 돌린다. 회전은 아주 오랫동안 지속된다. 마찰이 거의 없기 때문이다. 이 회전체에 모터와 발전기를 설치하면 전기를 저장할 수 있다.

전기가 남는 밤에 초전도 에너지 저장장치를 돌려놓아 에너지를 저장한 다음 전기가 많이 필요한 낮에 꺼내어 사용한다면 유용할 것이다.