2026년 9월 30일 · 용티IYPT 1988 · 문제 1 · 전자기학

액체 질소 위에 뜬 자석 — 고온 초전도

V2 공개자료 교차확인 — 둘 이상의 독립된 자료로 확인

탐구 주제

IYPT 1988 문제 1 ‘Invent yourself’에 관한 원리 해설과 탐구 설계입니다.

IYPT 1988 공식 문제 보기

교육과정 연결

중학교 과학 「전기와 자기」(전류·저항·자기장) / 고등학교 통합과학1 「물질과 규칙성」 / 통합과학2 「환경과 에너지」 / 물리학 「전기와 자기」 / 진로선택 「전자기와 양자」(전기 저항·초전도·자기 부양) (2022 개정 교육과정, 단원 코드는 NCIC에서 최종 확인).

핵심 개념

초전도, 임계 온도(Tc), 전기 저항, 영(零)저항, 지속 전류, 마이스너 효과, 완전 반자성, 자속 고정(flux pinning), 자속 양자, 제1종·제2종 초전도체, 임계 자기장·임계 전류, 쿠퍼 쌍, 상전이, 액체 질소(77 K), YBCO, 자기 부양

원리 살펴보기

금속 전선은 전류가 흐르면 따뜻해지는데, 어떤 물질은 왜 차갑게 식히면 전기 저항이 아예 사라질까? 보통의 도체에서는 전자가 움직이다 원자들과 부딪쳐 에너지를 줄열로 잃는다. 그런데 어떤 물질은 온도를 어느 문턱 아래로 낮추면 전자들이 둘씩 짝(쿠퍼 쌍)을 이뤄 걸림 없이 미끄러지고, 그 문턱 온도(임계 온도) 아래에서 전기 저항이 정확히 0이 된다. 마찰 없는 빙판처럼, 한번 흐르기 시작한 전류는 전원 없이도 오래도록 맴돈다(지속 전류). 예전의 초전도체는 임계 온도가 액체 헬륨(약 4 K)이 필요할 만큼 낮아 쓰기 어려웠는데, 1987년 임계 온도가 약 93 K인 YBCO가 발견되면서 값싸고 흔한 액체 질소(끓는점 77 K)만으로 초전도 상태를 만들 수 있게 되었다. 이 문제가 1988년에 고온 초전도의 쓸모를 스스로 발명해 보라고 물은 배경이 바로 이 사건이다.

초전도체는 저항만 0인 게 아니라, 자기장을 제 몸 밖으로 밀어내는 성질도 함께 얻는다. 자기장을 통째로 밀어내는 이 완전 반자성이 마이스너 효과로, 그래서 초전도체 위에 자석을 가져가면 서로 밀어내 자석이 떠오른다. 하지만 밀어내기만 해서는 자석이 옆으로 미끄러져 떨어진다. YBCO 같은 제2종 초전도체에서는 자기장의 일부가 아주 가느다란 자속 다발로 몸을 뚫고 들어와 재료 속 결함에 ‘못 박히듯’ 고정되는데, 이것이 자속 고정(flux pinning)이다. 그 덕분에 자석은 단지 떠 있는 게 아니라 특정 높이에 붙들려, 옆으로 밀어도 제자리로 돌아오고 심지어 자석을 초전도체 아래에 매달 수도 있다. 손대지 않고도 자석을 공중에 고정하는 이 안정된 부양이 초전도의 대표적인 시연이다.

영저항과 안정된 자기 부양은 곧바로 쓸모로 이어진다. 자기부상 교통은 자속 고정으로 궤도 위에 뜬 채 마찰 없이 달리는 열차를 겨냥하고, 초전도 전력 케이블·에너지 저장(SMES)·한류기는 영저항 덕에 손실 없이 대전류를 나르고, 에너지를 저장하며, 사고 전류를 순식간에 억제한다. 의료 영상과 초정밀 자기 센서(SQUID)는 강하고 안정된 자기장으로 MRI 같은 장치를 돌리거나 심장·뇌의 미약한 자기 신호를 잡아낸다(다만 오늘날 MRI 자석은 대개 액체 헬륨으로 식히는 저온 초전도체이고, 고온 초전도형은 개발 중이다). 강자기장 자석은 핵융합 장치와 입자가속기의 심장으로 개발되고 있다.

실험 설계

준비물

YBCO 고온 초전도 펠릿(시판 교육용 키트, 지름 약 25 mm), 액체 질소와 뚜껑을 덮지 않는 단열 용기(스티로폼·발포 용기), 작은 네오디뮴 자석 몇 종, 비자성 핀셋·집게, 헐거운 단열 장갑과 보안경, 스티로폼 트레이, 스마트폰(고속·타임랩스 촬영)과 눈금자·모눈 배경, (심화) 4단자 저항 측정용 멀티미터·정전류원과 온도 센서.

변인

독립변인은 초전도 펠릿의 온도, 곧 임계 온도(YBCO는 약 93 K, 시판 펠릿은 대체로 약 90 K) 아래로 식혔는지 여부이다. 보조로 냉각 방식(자석을 올린 채 식히는 field-cooled와, 식힌 뒤 자석을 가져가는 zero-field-cooled)과 자석의 세기·질량을 바꾼다. 종속변인은 자석의 부양 높이와 부양의 안정성(옆으로 밀거나 기울인 뒤 제자리로 돌아오는지), 그리고 심화로는 저항이 급강하하는 임계 온도이다. 통제변인은 초전도 펠릿의 종류·크기, 사용하는 자석, 촬영 배경과 거리, 액체 질소의 양과 주변 환경이다.

실험 순서

  1. 보안경과 헐거운 단열 장갑을 갖추고, 스티로폼 트레이에 YBCO 펠릿을 올린다. 먼저 상온에서 작은 자석을 펠릿 위에 살며시 놓아, 이때는 뜨지 않고 그대로 얹히는 것을 기준 상태로 확인한다.

  2. 교사가 단열 용기에 액체 질소를 부어 펠릿을 잠기게 하고, 끓음이 잦아들 때까지 식힌다. 펠릿이 임계 온도 아래로 내려가 초전도 상태가 된다(용기의 뚜껑은 덮지 않는다).

  3. 식힌 펠릿 위로 자석을 가만히 가져가(zero-field-cooled) 자석이 공중에 떠오르는지, 그 간격이 얼마인지 모눈 배경 앞에서 촬영한다. 자석을 살짝 옆으로 밀거나 돌려, 제자리로 돌아오거나 그 자리에 고정되는지(자속 고정)를 관찰한다.

  4. 이번에는 상온에서 자석을 펠릿 위 일정 높이에 받쳐 둔 채로 교사가 액체 질소를 부어 식힌 뒤(field-cooled) 받침을 치워, 자석이 그 높이에 붙들리듯 고정되는지 관찰하고 두 냉각 방식의 부양 모습을 비교한다.

  5. 펠릿이 데워지며 부양이 무너져 자석이 내려앉는 과정을 촬영하고, 다시 식히면 되살아나는지 확인한다. 각 조건을 여러 번 반복해 기록한다.

안전 안내

⚠ 안전

약 −196 ℃의 액체 질소는 맨살·눈에 닿으면 심한 동상을 입는다. 보안경을 쓰고, 액체가 스며들지 않고 얼른 벗을 수 있는 헐거운 단열 장갑을 끼며, 밀폐 용기에는 절대 담지 않는다(기화 팽창으로 터진다). 옮기고 붓는 일은 교사가 맡고, 부을 때 얼굴을 용기 바로 위에 두지 않는다. 환기가 잘 되는 곳에서 소량만 다룬다(질소가 산소를 밀어내 질식 위험). 네오디뮴 자석은 손가락 끼임과 전자기기·자기 카드·심장 박동기에 주의하고, 초전도 펠릿은 세라믹이라 잘 깨지니 조심히 다룬다.

예상과 해석

먼저 예상해 보기

상온에서는 그대로 얹히던 자석이, 펠릿을 임계 온도 아래로 식히면 어떻게 될까? 그리고 자석을 올린 채 식힐 때와 식힌 뒤 올릴 때, 뜨는 모습과 안정성은 달라질까?

자료 정리

조건별(상온/냉각, field-cooled/zero-field-cooled, 자석 세기)로 부양 높이와 안정성(옆으로 민 뒤 되돌아오는지)을 표로 정리한다. 부양 높이를 자석 세기나 냉각 방식에 대해 점으로 찍어 경향을 살핀다. 심화 과정에서는 4단자법으로 잰 저항을 세로축, 온도를 가로축으로 그려 저항이 급강하하는 임계 온도를 읽는다. (수치는 실제 측정으로 채운다 — 여기서는 축과 개형만 제시한다.)

결과의 의미

상온에서 그대로 얹히던 자석이 임계 온도 아래에서는 공중에 떠오르고, 옆으로 밀어도 제자리로 돌아오거나 그 자리에 고정될 것으로 예상된다. 이는 초전도체가 자기장을 밀어내는 마이스너 효과와, 자속을 결함에 붙들어 두는 자속 고정이 함께 작동함을 눈으로 확인하는 순간이다. field-cooled와 zero-field-cooled에서 부양 모습이 다르게 나온다면, 그것은 자속 고정이 냉각 이력에 의존한다는 증거다. 온도만 문턱 아래로 낮췄을 뿐인데 물질의 성질이 통째로 바뀌는 이 상전이가 값싼 액체 질소로 가능해졌다는 점이, 1987년 이후 수많은 응용을 연 까닭이다.

더 탐구하기

  1. 자석의 세기와 질량을 바꾸며 부양 높이가 어떻게 달라지는지 재고, 자석을 눌러 밀어낼 때의 반발력을 용수철저울이나 전자저울로 정량화해 보자.

  2. 식힌 뒤 시간에 따라 부양 높이가 서서히 내려앉는 과정을 촬영해, 펠릿이 임계 온도로 데워지는 순간을 부양이 무너지는 시점으로부터 거꾸로 추정해 보자.

  3. (프로젝트 제안) 자속 고정을 이용해 자석 트랙 위를 안정하게 도는 ‘초전도 자기부상 트랙’을 만들어, 펠릿이 정해진 길을 따라 미끄러지게 해 보자.

  4. (프로젝트 제안) 원문의 취지대로 영저항·자기 부양·강자기장·초정밀 자기 센서 가운데 하나를 골라, ‘고온 초전도로 무엇을 만들 수 있는가’를 한 쪽짜리 기획서로 제안해 보자(예: 손실 없는 전력 저장, 비접촉 베어링).

연결 주제

IYPT 2026 문제 9 「흑연 부양 제어」 — 그쪽은 냉각 없이 반자성만으로 뜨는 열분해 흑연을, 이쪽은 초전도체의 마이스너 효과와 자속 고정으로 뜨는 자석을 다룬다. 두 부양의 원리를 나란히 견주고, 부양 높이와 안정성을 영상으로 재는 같은 방법을 공유한다.

참고문헌

[학생] 텔아비브대학교의 ‘Quantum Levitation(양자 부양·자속 고정)’ 공개 시연과 해설(quantumlevitation.com) — 자속 고정으로 자석 트랙 위에 붙들린 초전도체가 도는 유명한 영상, 영상 검색어 “quantum levitation”, “quantum locking superconductor”, “YBCO 마이스너 부양 액체질소” / 응용 소식: MIT News “Tests show high-temperature superconducting magnets are ready for fusion”(2024, REBCO 핵융합 자석), 독일 에센 AmpaCity의 1 km 고온 초전도 전력 케이블 실증(2014년 상용망 투입) / [심화] J. G. Bednorz·K. A. Müller, “Possible high Tc superconductivity in the Ba−La−Cu−O system,” Zeitschrift für Physik B 64, 189–193 (1986), DOI 10.1007/BF01303701 — 최초의 구리 산화물 고온 초전도체(1987년 노벨 물리학상). M. K. Wu·C. W. Chu 외, “Superconductivity at 93 K in a New Mixed-Phase Y-Ba-Cu-O Compound System at Ambient Pressure,” Physical Review Letters 58, 908–910 (1987), DOI 10.1103/PhysRevLett.58.908 — YBCO(임계 온도 약 93 K)로 액체 질소 온도(77 K)를 처음 넘어섬. E. A. Early·C. L. Seaman·K. N. Yang·M. B. Maple, “Demonstrating superconductivity at liquid nitrogen temperatures,” American Journal of Physics 56(7), 617–620 (1988), DOI 10.1119/1.15524 — 실에 매단 반발 시연과 원반 위 자석 부양 시연(이 실험 설계의 근거). D. Larbalestier·A. Gurevich·D. M. Feldmann·A. Polyanskii, “High-Tc superconducting materials for electric power applications,” Nature 414, 368–377 (2001), DOI 10.1038/35104654 — 전력 케이블·에너지 저장·한류기·모터 등 응용 개관. (대비) M. R. Osorio·D. E. Lahera·H. Suderow, “Magnetic levitation on a type-I superconductor as a practical demonstration experiment for students,” European Journal of Physics 33(5), 1383 (2012), arXiv:1207.5992 — 제1종 초전도체(납, 액체 헬륨)의 순수 마이스너 부양으로, 자속 고정이 없어 액체 질소로는 안 되는 대비 사례. ※ 개방 지점: 액체 질소·YBCO 부양 시연 자체는 문헌이 충분히 덮지만, 부양 높이·반발력의 정량 측정, field-cooled와 zero-field-cooled의 자속 고정 이력 차이, 학교 장비로 임계 온도를 얼마나 정확히 읽어 낼 수 있는지는 문헌이 부분적으로만 다룬다 — 여기가 측정으로 다툴 수 있는 탐구 여지다. 또한 이 문제는 본디 ‘응용을 발명하라’는 열린 과제이므로, 본문에 든 응용은 예시일 뿐 새 기획을 제안하는 몫은 학생에게 열려 있다.

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