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  1. 2011.02.14 고마우신 샘
  2. 2011.02.13 강자성체
  3. 2011.02.08 코터
  4. 2011.02.08 화이트 메탈(베빗메탈)
  5. 2011.02.07 셰이퍼
  6. 2011.02.07 롤러 체인
  7. 2011.02.07 링크 체인
  8. 2011.02.07 스패너
  9. 2011.02.07 턴버클
  10. 2011.02.06 리베팅
  11. 2011.02.06 홈붙이 너트
  12. 2011.02.06 로크 너트
  13. 2011.02.06 애크미 나사(사다리꼴 나사)
  14. 2011.02.06 래칫
  15. 2011.02.06 훅의 법칙
  16. 2011.02.03 컴퓨터 처리 속도 PS(피코 초)
  17. 2011.02.03 하이트 마이크로미터
  18. 2011.02.03 2
  19. 2011.02.03 초전도 현상
  20. 2011.02.03 면심 입방 격자 구조

어제 기능사 필기 시험을잘 치렀습니다.

그동안 필기 시험 준비한다고 나름 애를 조금 먹었습니다.

캐드에 관한거만 나오면 괜찮은데,

기계재료에 밀링, 선반 및 안전, 신소재등

여러가지 너무 광범위한 면이 없잖아 있었습니다.

모르는 용어가 대부분인지라 공부하기가 수월치 않았습니다.

단어 하나 하나 찾아가면서 책도 찾아 보고 인터넷도 검색해 보고

그래도 안나오는건 무작정 외워야 하고

제가 공부하기엔 너무 난해했던 부분이 많았습니다.

선생님께서 필기 시험 준비해 주신다고

없는 시간을 쪼개 보충을 해주신 덕분에

많은 도움을 받았습니다.

강의시간에 수업하는것도 힘에 겨우실텐데

시험보는 학생들을 위해 따로 보충에

프린트물에 이런저런

신경을 많이 써주시고

너무 감사한 마음입니다.

항상 감사한 마음 가득인데 표현을 못하니

" 선생님 덕분에 시험 잘치뤘습니다....감사합니다^^* "

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Posted by 부비디바비디

강자성을 가지는 물질.

자심() 재료, 영구 자석, 기억 소자 따위로 쓰는데,

·니켈·코발트 따위가 이에 속한다

Fe, Ni ,Co

강자성체


- 외부에서 강한 자기장을 걸어주었을 때 그 자기장의 방향으로 강하게 자화된 뒤

외부 자기장이 사라져도 자화가 남아 있는 물질을 말한다. 이런 경우 물질을 이루는 각각의 원자가 하나의 자석과 같다.

자석에 달라붙는 성질을 갖는 물질을 말하며, 철·코발트·니켈 및 그 합금이 대표적이다.

강자성체에서는 개개의 원자가 자석과 같은 역할을 하는데,

이들 원자들은 외부의 자기장이 걸려 있지 않은 상황에서는 불규칙하게 정열 해 있기 때문에

전체적으로 자석과 같은 효과는 없다.

그러나 외부에서 자석을 갖다 대면 그 원자들이 외부 자기장의 방향으로 배열하려 하기 때문에

자석에 달라붙게 된다.

이렇게 외부 자기장의 영향으로 원자들이 일정한 방향으로 배열하는 것을 `자화`라고 하며,

자화된 물질은 그 자신이 자석처럼 다른 강자성체를 잡아당길 수 있다.


강자성체에서는 전자스핀이 평행을 이루기 때문에, 자화의 원인인 자기모멘트가

합성되어 커져 있는 것으로 알려져 있다.

또 자기구역인 평행을 이룬 스핀의 집단이 모여 있는 것으로 여겨지고 있으며,

자기장 안에서는 그 방향으로 각 자기구역이 향하고, 자기장이 없어진 후에도

그 방향으로 장시간 향하고 있기 때문에 잔류자화가 나타난다.

따라서 온도를 높이면 열운동 때문에 그 배열이 흐트러져, 강자성을 잃고 상자성체가 된다.

이 온도를 퀴리온도라 한다.

영구자석을 비롯하여 투자재료·자기변형재료 등으로 사용된다.


자화(Magnetization)


- 물체가 자성을 지니는 현상이다.

자기장 안의 물체가 자화되는 양상에 따라 강자성체, 상자성체, 반자성체, 페리자성체로 나뉜다.

그 세기는 물체의 단위부피에 대한 자기모멘트로 측정한다.

자화율은 물질이 자화되는 세기와 외부 자기장의 자화력의 비율로 상자성체나 반자성체는 물질의 고유상수이나,

강자성체는 자화과정과자기장의 세기에 따라 자화율이 변한다.

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Posted by 부비디바비디

베어링에 사용되는 합금으로 대부분 주석·납 등으로 되어 있으며

연강(軟鋼) 위에 얇게 코팅해서 사용되는 것이 보통이다. 실용되는

베어링 메탈은 바탕이 연한 금속으로 구리·납·주석·알루미늄·아연이 사용된다.

본문
일반적으로 화이트메탈이라고 한다.
대부분 주석·납 등으로 되어 있다.
주석을 주성분으로 하는 것은 안티모니 8∼15%, 구리 2∼10%, 나머지는 주석이다.
납을 주성분으로 하는 것은 주석 5∼20%, 안티모니 10∼20%, 구리 0.5% 이하, 나머지는 납이다.
이 밖에 아연을 주성분으로 하는 것이 있으나, 이것은 가격이 싼 것이 특징이다.

베어링이 모터의 축 등 고속으로 회전하는 축을 받쳐야 하므로 베어링메탈마찰계수가 작아야 하고,
마찰을 작게 해서 과열을 방지하기 위해 사용하는 윤활유를 잘 유지하며,
마찰로 생긴 열을 기계의 바탕금속에 전하기 위해 열전도성이 좋아야 한다.
이 조건을 달성하기 위해서 연한 금속 바탕에 상당히 단단한 금속간화합물의 결정편()이
산재된 조직으로 된 것이 바람직하다.
이와 같이 되면, 단단한 베어링메탈이 축을 받치고, 연한 바탕은 어느 정도 마찰로 닳아 오목해져서,
여기에 윤활유가 고이게 되며, 마찰로 생긴 열은 바탕금속을 지나 기계 본체로 빠져나갈 수 있다.

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Posted by 부비디바비디
셰이퍼(shaper)

왕복운동을 하는 절삭공구(커터)에 의해 주로 평면절삭을 하는 공작기계이다.
절삭공구는 왕복운동을 하는 램에 장치되고 공작물은 상하·좌우로 움직이는 새들에 장치된 테이블 위에 고정한다.
새들의 움직임에 따라 임의의 단면 모양인 평면을 절삭할 수가 있다.

램이 왕복운동을 할 때 절삭을 하는 것은 갈 때뿐이고 돌아올 때는 절삭을 하지 않는다.
따라서 능률을 올리기 위해 갈 때는 천천히 움직이지만 돌아올 때는 빨리 오게 하는
급속귀환 운동기구가 짜넣어져 있다.
최근에는 밀링머신의 발달로 셰이퍼의 사용이 감소되어,
공구의 제작이나 소량생산공장에서 사용되고 있는 데 불과하다.

세이퍼의 구조 및 가공법

① 구조 및 크기 표시

세이퍼의 크기는 램의 최대행정으로 나타나며, 테이블의 크기와 이송거리로 ...


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이미지


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  • [기계공학] roller chain (영어). 강판으로 만든 눈썹모양의 링크를 핀으로 연속해서 연결하고 그 사이에 부시와 롤러를 끼운 것.
  • [체육과학] roller chain (영어). 보통 자전거나 1/2in 피치의 기어가 붙은 경기용 자전거에 사용하는 체인.
  • [육상운송] roller chain (영어). 동력을 다른 곳으로 전달하는 데 사용되는, 롤러를 연결하는 체인.
  • [금속공학] roller chain (영어). 금속제 링크를 핀으로 연결하고 부시와 롤러를 끼운 체인.
  • [조선해양] roller chain (영어). 롤러 링크와 핀 링크를 엇갈리게 연결한 체인.
  • [토목건축] roller chain (영어). 다수의 롤러 링크를 연결한 체인.

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[기계]
???갸우뚱
동력전달용으로 쓰이는것은 롤러 체인과 사일런트 체인

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Posted by 부비디바비디
p310
문제15) 한쪽에서만 작업해도 리베팅이 가능한 것은?다
가) 폭발 리벳 나) 열간 성형 리벳 다) 하크 리벳 라) 냉간 성형 리벳
문제16) 냉각 리베팅을 하지 않는 것은? 라
가) 교량 나) 조선 다) 보일러 라) 항공기
문제17) 리벳 이음이 쓰이지 않는 곳은? 다
가) 철교 나) 보일러 다) 송유관 라) 구조물
문제19) 냉간 성형 리벳을 머리모양으로 분류하면?가
가) 5종류 나) 6종류 다) 8종류 라)10종류
문제20) 리벳 구멍은 리벳 지름보다 얼마나 커야 하는가?
1~1.5mm

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[기계]

고장력 스터트볼트 너트/와샤류

고장력 육각볼트/너트

고장력 육각렌치볼트

특수용도의 제작너트

■ 육각볼트

일반육각볼트 ( Hex Bolt )

고장력육각볼트 ( Collar Bolt )

■ 건축볼트

H/T 볼트 ( High Strenth Hex Bolt )

T.S 볼트 ( Torque Shear Bolt )

웰딩스터드 ( Welding Stud )

■ 렌치볼트

육각렌치볼트
(
Hex SocketHead Cap Screw )

육각접시머리렌치볼트
( Hex Socket Flat Head Cap Screw )

육각둥근머리렌치볼트
( Hex Socket Button Head Cap Screw )

무두렌치볼트 (Socket Set Screw )

압력플러그 ( P.T/P.F Plugs )

■ 앙카볼트 ( Foundation Anchor Bolts )

기초앙카 ( L,LA,J,JA )

스트롱앙카 ( Strong Anchor )

EGI 볼트 ( EGI Bolt )

연결너트 ( Joint Coupling Nut)

셋트앙카 ( Set Anchor )

케미칼앙카 ( Chemical Anchor )

주입식접착 케미칼앙카

■ 기타볼트

B7 스터드 볼트 ( B7 Stud Bolt )

아이 볼트 ( Eye Bolt )

U-볼트 ( U-Bolt )

나비 볼트 ( Wing Bolt )

경첩볼트( Hanger Bolt )

녹볼트 ( Tapper Bolt )

전산볼트 (Full Theads Bolt )

육각스크류 ( Hex Lag Screw )

레벨볼트 (Lavelling Bolt )

타격앙카 ( HPS Impact Anchor )

타격앙카핀 ( Impact Pin Stud )

■ 작은나사

냄비머리나사 (Pan Head Screw )

둥근머리나사 ( Round Head Screw )

접시머리나사 ( Flat Head Screw )

트러스머리나사 ( Trus Head Screw )

바인드머리나사( Bind Head Screw )

둥근접시머리 나사 ( Oval Head Scrow )

태핑나사 ( Tapping Screw )

플라스틱 볼트 ( Polycarbonate )

쌤스볼트 ( Sem's Bolt )

포스트 ( Hexagonal Post )

직결나사 ( Self Drilling Screw )

■ 너트

육각너트 ( Hexagon Nut )

사각너트 ( Square Nut )

후렌지너트 ( Flange Nut )

나이론너트 ( Nylon Nut )

U-너트 ( U-Nut )

홈붙이육각너트 ( Slotted/Castle Nut )

캡너트 ( Cap Nut )

나비너트 ( Wing Nut )

아이너트 ( Eye Nut )

기타너트 ( Nuts )

헤리코일 ( Recoil-Coil )

■ 와샤

평와샤 ( Plan Washer )

스프링와샤 ( Spring Washer )

사각와샤 ( Square Washer )

테퍼와샤 ( Tapper Washer )

접시와샤 ( Disc Spring Washer )

파도와샤 (Wave Washer )

이붙이와샤 ( Tooth Washer )

E 형 멈춤링 ( E-Ring )

스냅링

록크와샤 ( Lock Washer )

렉와샤

컵와샤 ( Cup Washer )

■ 기타

일반리벳 ( Rivet )

브라인드 리벳 ( Blind Rivet )

스프링 핀 ( Spring Pin )

칼부럭 (Plastic Anchor )

인서트 ( Insert )

턴버클 ( Turn Buckle )

*셋트앙카

* 표는 있는싸이즈 입니다.
50(2")
65
75
100
125
150
200
250
300
1/4
*
5/16
*
3/8
*
*
*
*
*
*
*
1/2
*
*
*
*
*
*
5/8
*
*
*
*
*
3/4
*
*
*
*
7/8
*
*
*
1인치
*
*
*
*스텐셋트앙카
* 표는 있는싸이즈 입니다.
50(2")
65
75
100
125
150
200
250
300
1/4
*
5/16
*
3/8
*
*
*
*
*
*
*
1/2
*
*
*
*
*
*
5/8
*
*
*
*
*
3/4
*
*
*
*
7/8
*
*
*
1인치
*
*
*

*기리피스

* 표는 있는싸이즈 입니다.
P/H(와샤무)
P/W(와샤유0
F/H(사라)
규격
8*10
*
*
14*20
8*13
*
*
*
14*25
8*16
*
*
*
14*32
8*20
*
*
*
14*38
8*25
*
*
*
14*50
8*32
*
*
*
14*65
8*38
*
*
*
14*75
8*50
*
*
*
14*80
8*63
*
*
*
14*90
8*75
*
*
*
14*100
8*100
*
*
*
14*110
도금 흑백 백색 니켈 스텐도 있음
14*120
양날
메거진
외날
부라인드리벳
14*130
B/H 6*20
외날 6*25
DWS 6*20
3.2*8
14*150
B/H 6*25
외날 6*32
DWS 6*25
3.2*11
14*165
B/H 6*32
외날 6*38
DWS 6*32
4.0*10
14*180
B/H 6*38
양날 3*16
DWS 6*38
4.8*11
14*190
B/H 6*50
양날 3*18
DWS 6950
4.8*16
14*200
B/H 8*50
양날 3*21
DWS 8*50
5.0*25
14*210
B/H 8*63
양날 6*25
DWS 8*63
5.5*25
14*230
B/H 8*75
양날 6*32
DWS 8*75
도금흑색백색
양날 6*38
도금흑색백색

*타격앙카

* 표는 있는싸이즈 입니다.
일반형
카바형
스텐형
목재형
5*6
*
*
8*60
5*15
*
*
8*75
6*5
*
8*90
6*12
*
*
*
6*25
*
*
*
6*40
*
*
*
6*75
*
*
6*90
*
*
*
6*110
*
*
*
8*12
*
*
8*30
*
*
*
8*90
*
*
*
8*110
*
*
8*135
*
*
8*160
*
*
10*75
*
10*90
*
10*115
*
10*135
*
10*160
*
칼부록 적색
*
칼부록 백색
*
칼부록 청색
*
칼부록 녹색
*
화스너
*

*창호앙카

8*40
8*55
8*60
8*75
8*100
8*130
10*55
10*72
10*92
10*112
10*132
10*152
10*182
10*202
10*230
10*250
10*280

*각조와사

*볼트,너트

*휠티총알

*지붕캡 벽체캡

*브라인드리벳

*화스너 브라켓

고장력 스터트볼트 너트/와샤류

고장력 육각볼트/너트

고장력 육각렌치볼트

특수용도의 제작너트

■ 육각볼트

일반육각볼트 ( Hex Bolt )

고장력육각볼트 ( Collar Bolt )

■ 건축볼트

H/T 볼트 ( High Strenth Hex Bolt )

T.S 볼트 ( Torque Shear Bolt )

웰딩스터드 ( Welding Stud )

■ 렌치볼트

육각렌치볼트
(
Hex SocketHead Cap Screw )

육각접시머리렌치볼트
( Hex Socket Flat Head Cap Screw )

육각둥근머리렌치볼트
( Hex Socket Button Head Cap Screw )

무두렌치볼트 (Socket Set Screw )

압력플러그 ( P.T/P.F Plugs )

■ 앙카볼트 ( Foundation Anchor Bolts )

기초앙카 ( L,LA,J,JA )

스트롱앙카 ( Strong Anchor )

EGI 볼트 ( EGI Bolt )

연결너트 ( Joint Coupling Nut)

셋트앙카 ( Set Anchor )

케미칼앙카 ( Chemical Anchor )

주입식접착 케미칼앙카

■ 기타볼트

B7 스터드 볼트 ( B7 Stud Bolt )

아이 볼트 ( Eye Bolt )

U-볼트 ( U-Bolt )

나비 볼트 ( Wing Bolt )

경첩볼트( Hanger Bolt )

녹볼트 ( Tapper Bolt )

전산볼트 (Full Theads Bolt )

육각스크류 ( Hex Lag Screw )

레벨볼트 (Lavelling Bolt )

타격앙카 ( HPS Impact Anchor )

타격앙카핀 ( Impact Pin Stud )

■ 작은나사

냄비머리나사 (Pan Head Screw )

둥근머리나사 ( Round Head Screw )

접시머리나사 ( Flat Head Screw )

트러스머리나사 ( Trus Head Screw )

바인드머리나사( Bind Head Screw )

둥근접시머리 나사 ( Oval Head Scrow )

태핑나사 ( Tapping Screw )

플라스틱 볼트 ( Polycarbonate )

쌤스볼트 ( Sem's Bolt )

포스트 ( Hexagonal Post )

직결나사 ( Self Drilling Screw )

■ 너트

육각너트 ( Hexagon Nut )

사각너트 ( Square Nut )

후렌지너트 ( Flange Nut )

나이론너트 ( Nylon Nut )

U-너트 ( U-Nut )

홈붙이육각너트 ( Slotted/Castle Nut )

캡너트 ( Cap Nut )

나비너트 ( Wing Nut )

아이너트 ( Eye Nut )

기타너트 ( Nuts )

헤리코일 ( Recoil-Coil )

■ 와샤

평와샤 ( Plan Washer )

스프링와샤 ( Spring Washer )

사각와샤 ( Square Washer )

테퍼와샤 ( Tapper Washer )

접시와샤 ( Disc Spring Washer )

파도와샤 (Wave Washer )

이붙이와샤 ( Tooth Washer )

E 형 멈춤링 ( E-Ring )

스냅링

록크와샤 ( Lock Washer )

렉와샤

컵와샤 ( Cup Washer )

■ 기타

일반리벳 ( Rivet )

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  • [금속공학] Acme thread (영어). 인치식의 29° 사다리꼴 나사.

    사다리꼴나사(trapezoidal thread) :

    사각나사에 비하여 가공이 쉬우므로, 공작 기계의 이송 나사(feed screw)로 많이 사용된다.

    나사산의 각도는 미터계에서는 30°, 인치계에서는 29°이다. 특히,

    인치계의 29°나사를 애크미 나사(Acme thread)라 한다.

    예)feed screw- 운동을 전달할 때 사용

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    간헐적인 회전운동을 전달하거나 축이 한쪽 방향으로만 회전하도록 하는 기계장치.
    래칭 장치 /래칫 장치
    그림에서 보면 암(arm) A와 래칫 바퀴 B는 모두 O를 중심으로 회전한다.
    발톱(pawl) P의 자루는 암에서 미끄러져내리며, 스프링 S는 발톱이 맨 아래에 있게 한다.
    암이 각 α 만큼 왔다갔다 하면 바퀴는 발톱에 의해 반시계방향으로 회전하고,
    암이 시계방향으로 회전하면 발톱의 경사면이 톱니를 타고 넘어가므로 바퀴는 회전하지 않는다.
    발톱을 절반 돌려 경사면이 왼쪽에 오도록 하면 바퀴는 오직 시계방향으로만 회전한다.
    앞에서 설명한 역전(逆轉) 래칫은 소켓 렌치의 자루에 사용되며,
    렌치 자루를 완전히 돌릴 수 없는 곳에서 볼트를 죄거나 풀 때 편리하다.
    또한 이들은 공작물을 공작기계의 작업대 위에서 간헐적으로 움직이게 하는 데도 사용된다.
    이때 래칫 바퀴는 작업대를 움직이는 나사에 부착하고 암은 크랭크로 움직이며, 행정(行程)은 α만큼 변한다.
    손목시계나 탁상시계처럼 태엽으로 움직이는 장치에서는 그림의 C와 같은 래칫을 사용한다.
    태엽을 감으면 발톱 Q는 고정축을 중심으로 회전하고,
    뾰족한 톱니를 타고 넘어가나 바퀴가 시계방향으로는 회전하지 못하게 한다.
    가장 일반적인 래칫은 발톱과 톱니바퀴가 달린 것이지만,
    단방향 클러치로 바퀴를 간헐적으로 돌리는 것도 있다.

    래칫 [ratchet]

    요약
    폴(pawl)의 작용에 의해 한쪽 방향으로만 회전을 전하고, 반대 방향으로는 운동을 전하지 않는 바퀴.

    본문
    래칫 휠(ratchet wheel)이라고도 한다. 팔목시계의 태엽을 감을 때 한쪽 방향으로 돌렸을 때만 감기고,


    반대 방향으로 돌렸을 때는 감기지 않고 용두(龍頭:태엽꼭지)가 공전(空轉)하도록 되어 있는 것이 그 예이다.

    일반적으로 폴이 기어의 바깥쪽에 있는 외치(外齒)래칫이 많으며, 일정한 방향으로는 회전하지만 반대 방향으로


    돌리려고 하면 폴이 이[齒]에 걸려서 돌아가지 않는다. 기어의 이가 안쪽에 붙어 있는 내치래칫도 있다.

    또 편심원호형(偏心圓孤形)의 폴을 장치하여 바퀴가 화살표의 반대 방향으로 돌려고 하면 폴과 바퀴의


    마찰에 의해서 바퀴를 돌리기 어렵게 하여 역전을 방지하는 마찰래칫도 있다. 기어에 의한 전자의 래칫은


    회전할 때 폴이 이와 접촉하여 찰칵찰칵하는 소리를 내지만, 마찰래칫은 소리가 나지 않으므로


    무음(無音)래칫이라고도 한다.

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    훅의 법칙
    훅의 법칙(영어: Hooke's law)은 용수철과 같이 탄성이 있는 물체가 외력에 의해 늘어나거나 줄어드는 등
    변형되었을 때 자신의 원래 모습으로 돌아오려고 반항하는 '복원력'의 크기와 변형의 정도의 관계를
    나타내는 물리 법칙이다.

    금속 용수철이나 고무봉 등은 외부에서 힘이 가해지지 않았을 때 고유의 모양, 1차원적으로만 한정해 보면

    자연적인 길이를 갖는다.

    이런 자연스러운 길이는 외부에서 힘이 가해지면 늘어나거나 줄어들게 되는데,

    이 때 원래 모양으로 돌아오려는 복원력이 작용하게 되며 이런 성질을탄성이라고 하며,

    이런 성질이 강한 물체를 탄성체라고 부른다.

    많은 탄성체에서는 변형의 정도가 작을 때 복원력과 변형량 사이에 비례관계가 성립한다.

    이것을 그 발견자인 17 세기 영국 물리학자로버트 훅의 이름을 기념하여 훅의 법칙이라고 부른다.

    훅의 법칙은 판이나 봉의 휨의 같은 다차원적인 변형에서도 똑같이 성립된다.


    매끈하고 수평인 마루 위에 용수철을 둔다. 용수철의 오른쪽 방향을 양의 x 축이라고 하자.

    용수철 왼쪽 끝을 고정하고 외력이 없을 때 오른쪽 끝의 위치를 x 의 원점으로 잡자. 용수철 길이가 변했을 때,

    오른쪽 끝의 x 좌표로 변형 상태를 나타내기로 한다. x > 0 이면 늘어난 것이고, x < 0 이면 줄어든 것이다.

    용수철 길이의 변화가 x 일 때의 복원력을 F 로 하자. 힘이 오른쪽 방향이면 F > 0 이고, 왼쪽 방향이면 F < 0 이라 한다.

    이 때, 훅의 법칙은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

    F = − kx

    이 때 k 를 용수철 상수라고 부른다. 용수철 상수는 용수철의 힘 혹은 유연한 정도를 나타내는 상수로

    각각의 용수철마다 다른 값을 갖는다.


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    컴퓨터 처리 속도 단위

    밀리초(ms) : 1/1,000초
    마이크로초(μs) : 1/1,000,000초
    나노초(ns) : 1/1,000,000,000초
    피코초(ps) : 1/1,000,000,000,000초
    펨토초(fs) : 1/1,000,000,000,000,000초
    아토초(as) : 1/1,000,000,000,000,000,000초

    컴퓨터 기억용량 단위

    1KB = 1024 (1킬로[Kilo] = 1024바이트)

    1MB = 1024KB (1메가[Mega] = 1024킬로

    1GB = 1024MB (1기가[Giga] = 1024메가

    1TB = 1024GB (1테라[Tera] = 1024기가

    1PB = 1024TB (1페타[Peta] = 1024테라

    1EB = 1024PB (1엑사[Exa] = 1024페타

    컴퓨터 처리속도 단위

    ms(밀리 초) : 10-3

    μs(마이크로 초) : 10-6

    ns(나노 초) : 10-9

    ps(피코 초) : 10-12

    fs(팸토 초) : 10-15

    as(아토 초) : 10-18

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    P632

    2009년7월12일시행

    문제 21)

    마이크로미터의 종류중 게이지 블로과 마이크로미터를 조합한 측정기는?나

    가)공기 마이크로 미터

    나)하이트 마이크로 미터

    다)나사 마이크로 미터

    라)외측 마이크로 미터

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    20세기가 발견한 가장 신기한 현상 중에 하나가 초전도(superconductivity) 현상이다. 초전도 현상이란 금속의 온도를 0도K(K는 절대온도의 단위로 켈빈Kelvin의 약자. 0도K=영하 273도C) 가까이 내렸을 때 전기저항이 완전히 사라지는 현상이다.

    초전도체에서는 전기저항이 전혀 없기 때문에 일단 초전도체로 만든 회로 안에 전류가 흐르기 시작하면 전력 손실이 전혀 생기지 않아 영원히 전류가 흐른다. 실험에 의하면 초전도체 안의 전류의 수명이 적어도 10만 년 이상이다. 이론적으로 계산한 값은 1010000000초로서 우주의 나이(137억년, 4 x 1017초)보다 비교할 수 없을 정도로 길다. 그래서 초전도 케이블로 전자석을 만들면 매우 강한 자기장을 얻을 수 있다.

    초전도체 하면 자기부상열차가 떠오르는 것도 이 때문이다. 자기부상열차의 기본 원리는 열차와 선로의 자기적인 반발력으로 열차를 공중에 띄워 추진력을 얻는다는 것이다. 열차와 선로에 모두 자석을 깔면 좋겠지만 선로의 전 구간에 자석을 깔면 그만큼 비용이 커진다. 그래서 보통 열차 바닥에만 자석을 깔고 선로에는 도체를 설치한다. 도체 주변에서 자기장이 시간에 따라 바뀌면 전자기 유도현상에 의해 도체에는 유도전류가 생긴다. 이 때 유도전류가 주변에 다시 자기장을 형성하는데, 이렇게 유도된 자기장은 열차 바닥의 자석을 밀어낸다. 따라서 열차 바닥의 자석과 선로에서 유도된 자기장이 충분히 크면 열차를 공중 부양시킬 수 있다. 보통의 전자석은 전력손실 때문에 큰 자기장을 만들기 어렵다. 육중한 열차를 들어 올리려면 초전도 자석이 안성맞춤이다.


    초전도 현상은 1911년 네덜란드의 카메를링 오너스(Heike Kamerlingh Onn es 1853~1926)가 액체 헬륨을 이용하여 극저온 실험을 하던 도중에 처음으로 발견했다. 그는 수은의 전기저항이 헬륨의 액화온도인 4.2도K 근방에서 갑자기 사라지는 현상을 목격했다. 이후 많은 다른 금속에서 초전도 현상이 관찰되었다. 초전도 현상은 대개 매우 낮은 온도에서 나타나는데 이 온도를 임계온도라고 한다. 금속마다 임계온도는 제각각 다르다. 1925년 무렵에는 순수한 금속뿐만 아니라 각종 합금에서도 초전도 현상이 발견되었다. 니오븀(Nb) 합금은 그 최초의 물질로서 니오브티타늄(NbTi)은 지금도 초전도체 소재로 가장 많이 쓰인다. 합금 초전도체의 임계온도는 대체로 순금속보다 약간 높다. 1986년에는 임계온도가 30도K인 세라믹 계열의 초전도체가 발견되었고 1987년에는 임계온도 97도K인 초전도체가 발견되었다. 이 온도는 질소의 끓는점(77도K)보다 훨씬 높아 초전도체의 상업적 활용 가능성을 크게 높였다.

    초전도 현상을 이론적으로 완벽하게 설명할 수 있게 된 것은 1957년이었다. 미국 일리노이 대학의 바딘(J. Bardeen), 쿠퍼(L. N Cooper), 슈리퍼(J. R. Schrieffer)는 금속 안의 전자들이 전기적인 반발력을 이기면서 하나의 쌍을 이루면 초전도 현상이 나타난다고 설명했다. 전자가 하나의 쌍을 이루는 것을 쿠퍼쌍(Cooper pair)라고 한다. 저자들의 이름 머리글자를 따 BSC 이론으로 알려진 이 이론은 새로운 입자나 새로운 힘을 전혀 도입하지 않고 초전도 현상을 성공적으로 기술한다. 전자들이 쿠퍼쌍을 형성할 수 있는 것은 전자들이 금속 안에서 격자를 형성하는 원자핵들과 상호작용을 하기 때문이다. 전기적으로 +로 대전된 격자들 사이를 전자 (전자는 전기적으로 -임)가 지나가면 순간적으로 격자들이 전자의 경로 쪽으로 약간 쏠린다. 그 결과 두 번째 전자는 훨씬 집중된 +전기를 느끼게 된다. 이 과정에서 두 개의 전자가 격자들과의 상호작용을 통해 하나의 쌍, 즉 쿠퍼쌍을 이루게 된다.


    전자 둘이 쿠퍼쌍을 이뤄 하나의 입자처럼 움직이면 놀라운 효과가 생긴다. 개별 전자에서는 전혀 볼 수 없었던 일종의 ‘방향성’이 생기기 때문이다. 금속의 온도가 임계온도 아래로 내려가면 전자들이 쿠퍼쌍을 이루기 시작한다. 이 때 생기는 쿠퍼쌍들은 똑같은 위상을 가진다. 이는 흡사 시청 광장에 모인 수많은 사람들이 갑자기 모두 한쪽 방향을 향하고 있는 것과도 같다. 이렇게 되면 모든 쿠퍼쌍들이 마치 하나의 덩어리인 것처럼 행동한다. 그리고 같은 방향성을 가진 쿠퍼쌍들은 어지간한 장애물을 만나도 그 상태를 계속 유지한다. 그 결과 전기저항이 완전히 사라진다.

    비슷한 예를 우리는 교통이 혼잡한 교차로, 예를 들면, 신촌 5거리에서 쉽게 찾을 수 있다. 만약 신촌 5거리 일대의 신호등이 갑자기 마비된다면 신촌 5거리는 순식간에 대혼란에 빠질 것이다. 모든 방향으로 진행하려는 차들이 뒤죽박죽으로 한데 뒤엉켜 옴짝달싹도 못하고 경적만 울려댈 것이 분명하다. 모든 차들이 제각각 임의의 방향을 향하고 있기 때문에 이 상태는 대칭성이 있다. 하늘에서 헬기로 이 광경을 지켜보면 헬기가 어느 방향을 향하고 있든 눈에 들어오는 광경은 모두 똑같은 모습-방향성 없이 무작위로 뒤엉킨 모습이다. 이 때 교통경찰들이 등장한다. 경찰은 체증을 풀기 위해 5거리에 집중된 차들을 우선 한쪽 방향으로 몰아간다. 만약 모든 차들이 예컨대 이대-홍대 라인으로 늘어서 있으면, 그 앞쪽에 정체가 없는 한, 체증은 사라진다. 헬기에서 바라보면 신촌 5거리는 이전에는 없었던 하나의 방향성이 동서축으로 생겼다. 대칭성이 깨진 것이다. 같은 방향을 바라보고 달리는 차들은 마치 모든 객차가 연결된 기차와도 같다. 이들의 진행을 방해하는 흐름은 어디에도 없다. 쿠퍼쌍이 전기저항을 느끼지 않는 것도 이와 같은 이치이다. 애초에 없던 방향성이 갑자기 생기는 것은 대칭성이 깨진 것과도 같다. 지난 글에서 말했듯이 물리적 계의 위상 변화와 관련된 대칭성을 게이지 대칭성이라고 한다. 초전도체에서는 이 게이지 대칭성이 깨져 있다. 그래서 초전도 현상이 생기는 것이다.

    BCS이론에서 대칭성 깨짐의 영감을 얻은 난부 요이치로는 이 아이디어를 입자물리학에 도입하여 강력을 설명하는 데에 활용했다. 2008년 노벨상은 그 공로에 대한 것이다. 표준모형의 소립자들이 힉스(Higgs) 입자를 통해 질량을 얻는 과정(힉스 메커니즘)도 이와 비슷하다. 특히 초전도체가 보이는 중요 특성인 마이스너 효과(Meissner effect)는 힉스 메커니즘의 원조라 할 수 있다. 마이스너 효과란 외부 자기장이 초전도체 내부를 침투하지 못하는 현상이다. 이는 외부 자기장이 있을 때 초전도체 내부에 초전류가 형성되어 그로 인한 유도 자기장이 외부 자기장을 모두 밀어내기 때문이다. 흔히 자석 위에 초전도체가 공중 부양하는 사진을 쉽게 볼 수 있는데, 이는 마이스너 효과 때문이다. 마이스너 효과가 생기는 이유는 자기장의 실체라고 할 수 있는 광자가 초전도체 안의 쿠퍼쌍과 상호작용을 통해 일종의 질량을 갖기 때문이다. 질량이 커지면 광자가 침투할 수 있는 깊이는 역으로 줄어든다. 이는 마치 치어만 빠져 나갈 수 있는 촘촘한 그물을 다 큰 물고기가 빠져 나갈 수 없는 것과도 같다. 원래 광자는 질량이 없다. 이는 전자기력이 게이지 대칭성을 가지고 있기 때문이다. 그러나 쿠퍼쌍은 게이지 대칭성을 깬다. 광자가 초전도체 안에서 이들과 상호작용하면 없던 질량이 생긴다.

    초전도체 안에서 광자가 없던 질량을 얻는 과정과 소립자가 힉스입자와 상호작용하여 질량을 얻는 과정은 근본적으로 똑같다. 그리고 이것이 가능하기 위해서는 둘 다 게이지 대칭성을 깨야만 한다. 초전도 현상이 일어나는 원리와 우리 우주에서 소립자들이 질량을 얻는 원리가 근본적으로 같은 것이다. 그러니 우리가 살고 있는 우주가 하나의 거대한 초전도체라고 비유할 수도 있겠다. 말하자면 우리 우주는 임계온도 아래에 와 있으며 쿠퍼쌍이 생겨나 대칭성이 깨진 상태인 것이다. 그 결과로 소립자들이, 그리고 소립자로 만들어진 세상 만물이 질량을 얻은 것이다.


    초전도체에서는 쿠퍼쌍의 존재가 여러 경로로 확인되었다. 그러나, 우주라는 큰 초전도체의 쿠퍼쌍은 아직 실험적으로 검증되지 않았다. 우리가 찾고 있는 힉스 입자 말이다. 초전도체는 그 힉스 입자를 찾는데 현실적으로 도움을 주고 있다. 유럽의 대형강입자충돌기(LHC)는 큰 에너지로 양성자를 가속하기 위해 엄청난 세기의 전자석을 이용한다. 이 때 우리가 원하는 자석의 힘을 얻기 위해서는 초전도 전자석이 필수적이다. LHC에는 가장 중요한 역할을 하는 전자석 1232개는 모두 니오브티타늄 소재 초전도 케이블로 만들었다. LHC는 120톤의 액체 헬륨을 이용하여 가속기 전체를 1.9도K(섭씨-271.1도)까지 낮춘다. 니오브티타늄은 초전도체가 되고, 이 엄청난 전자석의 힘을 이용해 힉스입자를 찾는 것이다.

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    Posted by 부비디바비디

    초전도 현상은 어떤 물질의 온도가 매우 낮을 때(대체로 -200˚C 이하) 일어나는 현상으로,

    전기 저항이 0이 되고 내부 자기장을 밀쳐내는 것이 대표적인 예이다.

    이러한 사실은 1911년 네덜란드물리학자 오너스가 발견하였는데

    그는 수은의 온도가 약 4K(-269˚C)이하로 내려갈 때 수은의 전기저항이 0이 된다는 사실을 발견하였다.

    초전도 현상이 나타나는 물체를 초전도체라 하며, 이 현상이 나타나기 시작하는 온도임계 온도라고 한다.

    일반적인 금속 도체비저항은 온도가 내려감에 따라 점점 감소한다.

    그러나 구리과 같은 도체의 경우에는, 불순물이나 다른 결함으로 인해 저항이

    어느 값 이상으로 감소하지 않는 한계가 있다.

    절대 0도 근처에서도 실제 구리 시료의 저항은 0이 아닌 값을 가지게 된다.

    반면 초전도체의 저항은 온도가 "임계 온도" 값보다 아래로 나려가면 갑자기 0으로 떨어진다.

    초전도 전선으로 된 고리를 흐르는 전류는 전원 공급 없이도 계속 흐를 수 있다.

    강자성이나 원자 스펙트럼 준위처럼, 초전도는 양자 역학적인 현상이다.

    초전도는 단순히 고전 물리의 이상적인 "완전 도체"(perfect conductor) 개념으로는 설명될 수 없는 현상이다.

    초전도는 다양한 종류의 물질에서 나타나는데, 주석이나 알루미늄과 같이 한가지 원소로 된 물질에서도 일어나고,

    다양한 금속 합금이나 도핑된 세라믹 물질에서도 나타난다.

    한편 초전도는 이나 과 같은 귀금속에서는 나타나지 않으며,

    순수한 강자성 금속(ferromgnetic metal)에서도 나타나지 않는다.

    1986년에는 구리-perovskite세라믹물질에서 임계 온도가 90 K을 넘는고온 초전도체가 발견되었는데,

    이 때문에 초전도체 연구가 다시 활성화되는 계기가 되었다.

    순수한 연구 주제로서, 이런 물질들은 초전도체를 설명하는 기존 이론으로는 설명되지 않고 있다.

    게다가, 초전도 상태가 경제적인 면에서 중요한 기준이 되는 온도인

    액체 질소비등점 (77 K)보다 높은 온도에서도 나타남에 따라,

    좀 더 많은 상업적 응용 가능성이 열리게 되었다.

    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.



    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 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.



    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.

    http://cafe.daum.net/protec21/6Mcj/104?docid=1EcPU|6Mcj|104|20101108145130&q=%C3%CA%C0%FC%B5%B5%C7%F6%BB%F3&srchid=CCB1EcPU|6Mcj|104|20101108145130

    저항이 없는 전류의 흐름, 초전도 현상 발견




    인류역사에서 20세기는 전자혁명의 시기였다고 기록할 수 있다. 인류 문명을 혁신적으로 변화시킨 반도체 소자, 컴퓨터, 인터넷 등이 등장했기 때문이다. 이것은 바로 전자를 다루는 기술의 발전이 있었기에 가능한 것이었다.

    그렇다면 전자를 다루는 기술은 어떻게 발전하게 됐을까? 이 같은 질문에 답하기 위해서는 고체물리학과 전기재료의 발전이라는, 다소 생소한 분야를 등장시켜야 한다.


    그림 1 만일 도체의 저항을 완전히 없앨 수 있다면, 전력손실을 효과적으로 줄일 수 있을 것이다. 사진 제공 : SXC

    고체물리학은 각종 고체소자 개발의 바탕이 됐으며 현대과학의 발전에 큰 역할을 하고 있다. 연구대상이 되고 있는 중요한 과제로는 고체 속의 전자상태에 대한 문제, 반도체, 극저온에서의 각종 이상 현상, 초전도 현상의 본질 파악 등으로 다양하다. 이 중 초전도 현상은 전기, 전자분야뿐만 아니라 다양한 분야에 응용되고 있어 20세기 10대 사건으로 선정됐다.


    도체·부도체·반도체 - 고체 삼형제


    고체는 흔히 전기가 잘 통하는 도체, 전기가 통하지 않는 부도체와 그 중간인 반도체로 나눌 수 있다. 이 차이는 내부에 전류를 옮기는 자유전자가 많고 적음에 따라 결정된다.

    도체에는 자유전자가 많아 외부 신호에 따라 전류가 잘 흐르지만, 전류의 흐름을 방해하는 저항이 소량 존재 한다. 저항은 전류의 손실을 가져올 뿐만 아니라, 처음 보냈던 신호의 크기를 작게 만드는 등 여러 가지 문제들을 만든다. 만약 도체의 저항을 완전히 없앨 수 있다면, 이러한 전력손실이나 신호 감소 등의 단점을 극복할 수 있을 것이다.
    과연 이런 꿈의 도체, 즉 저항이 없는 완전도체는 있을 수 없는 것인가?

    조셉슨 효과
    초전도체와 초전도체 사이에 전류가 흐르지 않는 부도체를 끼워 넣어도 전류가 흐르는 현상.
    초전도체의 질서계수인 에너지 간격의 위상 때문에 생기는 양자역학적 현상으로, 두 초전도체의 에너지 간격의 위상차이가 있으면 이로 인해 전류가 흐를 수 있다.

    유도 전류
    도체에 외부에서 자기장을 가하면 패러데이(Faraday) 법칙에 의해 외부 자기장을 반대하는 방향으로 전류가 유도된다. 이를 유도전류라 하는데 도체에는 저항이 있기 때문에 일반적으로 유도전류는 곧 사라지게 돼 외부자기장은 도체 내부를 관통한다.
    오네스, 초전도 현상을 발견하다

    이 물음에 대한 답은 1900년대에 들어와 초전도 현상이 발견되면서 풀리게 된다.

    초전도 현상은 물체의 온도를 (충분히) 낮출 때 일어나는 특이한 현상이다. 1911년, 네덜란드 물리학자 오네스(H.K. Onnes, 1853~1926)는 다른 원소와 화학 반응을 일으키기 어려운 기체인 헬륨(He)을 액화해 절대온도 0도(K)(= -273.15 ℃) 가까이 내릴 수 있는, 당시로서는 획기적인 첨단 기술을 개발했다. 그는 곧이어 극저온에서 온도계로 사용할 목적으로 온도에 따른 수은(Hg)의 저항 변화를 측정했고, 그러던 중 절대온도 4.2K(-268.95 ℃)에서 갑자기 저항이 사라지는 현상, 즉 전기저항이 완전히 사라지는 초전도 현상을 발견했다.

    이러한 초전도 현상이 중요한 이유는 우선 도체의 저항을 완전히 없앨 수 있는 완전도체 성질을 보이기 때문이다. 또한 흔히 조셉슨 효과(Josephson effect)라고 불리는 위상효과를 활용한 응용 가능성도 뛰어나다.

    그림 2 초전도체 내부에는 자기장이 들어갈 수 없고, 내부에 있던 자기장도 밖으로 밀어내기 때문에 자석 위에 떠오르는 자기부상현상을 나타낸다. 사진 제공 : 위키피디아

    뿐만 아니라 초전도 현상에 대한 이해는 기존의 상식을 뛰어 넘는 발상의 전환을 요구했다. 주로 단일 원소 금속의 경우, 초전도 현상이 나타나는 임계온도(한계온도)가 ~10K(-263.15 ℃) 수준이지만 1986년에 발견된 고온초전도체의 경우, 임계온도가 100K(-173.15 ℃)를 넘는다. 이러한 고온 초전도체는 아직 이론적으로 확실히 밝혀지지 않은 미완의 분야다.


    초전도 현상의 원리

    도체 내에서 전류가 흐를 때 저항이 생기는 이유는

    첫째, 전자가 움직이다가 불순물과 충돌 하거나
    둘째, 전자들이 이동하면서 (도체 내의 일정한 위치에서) 열에너지 때문에 진동하고 있는 원자들과 충돌하기 때문이다.

    이 두 가지 요인 중 전기저항에 가장 크게 기여하는 것은 두 번째 요인이다. 따라서 도체의 온도를 낮추면 열에너지가 작아지고, 열에너지가 작아지면 원자의 진동이 작아지므로 전자와 원자간 충돌이 감소돼 저항이 줄어들게 된다. 하지만 아무리 온도를 낮추더라도 절대온도가 0 K가 아닌 한, 일반적인 금속의 경우 유한한 저항이 있기 마련이다.

    하지만 1911년, 오네스가 일부 금속도체의 온도를 절대온도 0 K 가까이 내리면 갑자기 전기적 저항이 사라지는 완전도체 현상을 관측했다.

    이와 같이 물질에 따라 다른 특정한 온도(이를 초전도 임계온도라고 부른다) 이하에서 저항이 없는 완전도체 성질과 내부에 자기장이 존재하지 못하는 반자성 성질은 기존의 이론으로는 설명할 수 없는 새로운 질서를 가진 상태이며, 이를 초전도 상태라고 부른다.

    금속도체의 경우, 초전도 현상이 나타나는 임계온도에서와 상온에서의 전기전도도를 비교하면 이해하기 어려운 사실이 눈에 띈다. 즉, 상온에서 전기 저항이 상대적으로 높은 ‘나쁜’ 도체일수록 오히려 완전도체 성질이 나타나는 초전도 임계온도가 높다는 사실이다. 상온에서 전류를 잘 흘리는(전기 저항이 낮은) ‘좋은’ 도체인 구리, 알루미늄, 금, 은 등은 온도를 아무리 낮춰도 초전도 현상을 보이지 않는다. 반면 상온에서 전기 저항이 상대적으로 높은 수은은 임계온도 4.2K(-268.95 ℃), 납은 임계온도 7.2K(-265.95 ℃)로, 초전도 임계온도가 높다. 즉, 상온에서 전류를 잘 흘리는 도체가 그렇지 못한 도체보다 초전도 현상을 만들기가 더 어렵다.


    BCS 이론, 초전도 현상을 설명하다

    물리학자들은 이처럼 상식적으로는 이해하기 힘든 초전도 현상을 설명하기 위해 다양한 시도를 했다. 그 중에서 궁극적인 설명이 제시된 것은 초전도 현상이 발견된 지 50년이 지나서였다.

    원자 진동
    금속 내의 음파는 원자진동으로 퍼진다. 따라서 원자진동을 소리라고 볼 수 있다
    그 이론은 1957년, 바딘(John Bardeen, 1908~1991), 쿠퍼(Leon N Cooper, 1930~), 슈리퍼(John Robert Schrieffer, 1931~) 세 사람이 제안한 BCS이론이다. 이 이론에 의하면 도체 내 전자 사이에는 전하(-e)가 같은 극이기 때문에 밀쳐내는 힘이 작용하지만, 어느 한 전자가 원자 진동을 내고 다른 전자가 이 소리를 받는 교환 상호작용을 하면 전자 사이에 서로 당기는 인력이 작용할 수 있고, 이러한 인력 때문에 두개의 전자가 하나의 짝을 이루게 돼 초전도 현상이 생긴다고 설명했다. (이 전자쌍은 처음 제안한 쿠퍼의 이름을 붙여 쿠퍼 전자쌍이라 부른다)

    즉, 도체 내에서 전자가 움직일 때, 양이온화 된 원자들이 전자 쪽으로 이끌리면(전자가 원자진동, 즉 ‘소리’를 유발시킴), 그 전자 주위에 양의 전하가 몰려 +전하를 띤 것처럼 보인다. 따라서 다른 전자가 그 쪽으로 끌리게 돼 결과적으로 두 전자는 마치 짝을 지어 운동하는 것처럼 행동한다.

    이 이론은, 정상 상태에서 독립적으로 운동하던 전자들이 저항의 원인으로 작용하는 원자진동을 활용해 ‘어깨동무’를 하면서 움직일 때 초전도 현상이 나타난다는 것이다.

    그림 3 초전도 현상의 원리- 전자들이 손을 잡거나 어깨동무를 하고 움직이면 서로 넘어지지 않을 수 있다.(저항 없이 갈 수 있다) 사진 제공 : SXC


    그렇다면 저항이 없는 초전도체는 얼마나 많은 전류를 흘릴 수 있을까? 전류를 흘리면 전자가 움직이기 때문에 전자의 운동에너지가 증가한다. 이 에너지 증가가 쿠퍼 전자쌍의 ‘어깨동무 에너지(이를 흔히 초전도체의 ’에너지 간격‘이라고 부른다)보다 커지게 되면 전자쌍의 ’어깨동무‘가 풀리게 된다. 그렇게 되면 전자가 다시 독립적으로 움직이게 돼, 저항이 있는 정상상태로 돌아온다. 그러므로 초전도체가 흘릴 수 있는 최대 전류(임계전류)와 초전도 현상이 나타나는 임계온도는 원자진동 에너지와 밀접한 관계가 있다.

    초전도 현상이 나타나는 임계온도는 금속 원자의 경우 절대온도 10K(-263.15 ℃) 이하, 합금의 경우 23K(-250.15 ℃) 이하이다. 금속 초전도체의 경우, 임계온도가 낮아서 냉각제로 액체 헬륨을 사용해야 하는데, 액체 헬륨의 비싼 가격 때문에 응용하는 것은 쉽지 않다.




    BCS 이론으로 설명 불가능한 고온 초전도체 발견


    그림 5 층상구조를 가진 고온초전도체의 구조. 중간 부분에 절연층이 있다. 대표적인 고온초전도체인 이트륨바륨구리산화물(YBCO)의 구조도. 사진 제공 : H. Shaked 외 5인, 초전도 과학기술 센터, Argonne 국립연구소.

    한편 10년 전부터 개발되기 시작한 구리산화물 초전도체는 일반의 상식을 뛰어 넘는 큰 발견이었다.
    구리산화물은 부도체로 알려진 세라믹 재료로, 전하가 있는 층과 전하가 없는 절연층이 교차로 존재하는 아주 복잡한 층상구조를 갖고 있다. 이 구리산화물의 임계온도는 최고 164K(-109.15 ℃)로, 이는 액체 헬륨보다 저렴하고 반응성이 적은 액체 질소(끓는점 77K, -196.15 ℃)를 냉각제로 사용할 수 있는 엄청난 ‘고온’이다. (여기서 ‘고온’이라고 표현했지만, 아직 임계온도는 영하 196.15도로 극히 낮은 온도다.)

    고온초전도체의 경우에도 역시 전자들이 짝을 이뤄 행동하는 에너지 간격이 있음이 밝혀졌다. 하지만 전자간의 ‘어깨동무’를 가능케 하는 매개체가 무엇인지, 또 임계온도가 왜 이처럼 높은지는 아직까지 밝혀지지 않고 있다. 아직 밝혀지지 않은 이러한 매개체의 정체를 밝히는 것은 과학계 최대의 현안 문제 중 하나다.


    초전도 현상의 다양한 응용 분야


    그림 6 2013년 인천국제공항에서 운행하게 될 자기부상열차(위)와 부상 원리(아래). 사진 제공 : 동아일보

    초전도체의 완전도체 성질을 이용하면 초전도 자석 부상열차, 송전선, 배전선뿐만 아니라 초전도의 위상효과(조셉슨 효과)를 이용한 소규모 응용이 가능하다. 현재 일본에서 시험 중인 초전도 부상열차는 시속 500km의 속력으로 지상에서 약 5cm 정도 뜬 채 달린다.

    또한 조셉슨 효과를 이용한 초전도 양자 간섭 장치(SQUID, Superconducting Quantum Interference Device, 초전도 양자 간섭 소자)는 미세한 자기장(지구 자기장의 100억분의 1 수준)을 측정할 수 있다. 앞으로는 이를 이용해 사람의 심장이나 뇌의 전류흐름 때문에 생기는 미세한 자기장 검출과 진단에 응용할 수 있을 것이다. 이밖에 통신용 필터, 초전도 케이블 등 미래의 초전도 현상 응용분야는 점점 광범위해지고 있다.





    출처 : 사이언스올

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    ● 체심 입방 격자 : 철(상온), 몰리브덴, 텅스텐, 크롬 등
    면심 입방 격자 : 구리, 알루미늄, 금, 은, 니켈 등
    ● 조밀 육방 격자 : 아연, 코발트, 마그네슘, 티탄 등

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