제 6장 부 록 < 6.1> 초전도(Super conductivity) <6.2> 熱電效果

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1 제 6장 부 록 < 6.1> 초전도(Super conductivity) <6.2> 熱電效果
제 6장 부 록 < 6.1> 초전도(Super conductivity) <6.2> 熱電效果 <6.3> 電子의 放出

2 < 6.1> 초전도(Super conductivity)
[1] 초전도 현상  1911 Onnes : Hg가 4.15K에서 전기 저항이 급격히 소멸되어 전기전도도가 무한대 (전기저항 0) * 천이온도 or 임계온도 Tc : 초전도 상태가 되는 온도  상온에서 전도성이 좋지 않는 원소가 초 전도체  상온에서 양도체이거나 강자성 금속은 초전도성을 나타내지 않음 T R 4.15ºK Hg Pt * Onnes : 1913년 노벨상

3 [2] 초전도의 성질  임계온도와 임계 자장 : 초전도 상태에 있는 초전도체에 강한 자장을 걸어 주면 상전도 상태로 환원 상전도 상태로 환원 * 입계자장 0°K에서의 임계자장 초전도체의 반자성(反磁性)  Meissner & Ochsenfeld : Meissner effect : 초전도체를 임계자장 이하의 자장속에 넣으면 자력선은 초전도체를 피하여 형성 자속밀도 B = 0 (완전반자성) (  by Maxwell eq ,  = 0 , )

4 [3] 임계전류밀도 Jc : 임계전류밀도 보다 높으면 초전도체는 상전도상태로 J T B (or H) Hc Jc Tc * 초전도성에 요구되는 특성 ① Tc, Hc, Jc 가 높은 것 ② 재료의 가공성이 양호할 것 ③ 기계적 강도가 높을 것 ④ 선재(線材)가 가능할 것

5 [4] 초전도현상의 이론  B. C. S 이론 : Bardeen, Cooper, Schrieffer 격자진동( lattice vibration)을 매개로 두개의 전자가 서로 끌어 당기어 쌍을 이룸으로써 (Cooper pair ) 전자쌍들의 집합적으로 움직임 (collection motion)  Cooper쌍 : 격자에 왜(歪)가 생겨 전자 주위의 potential이 저하하기 때에 다른 전자끼리 가까워 짐 임계온도와 동위원소 효과 : Maxwell & Raynolds Hg의 여러 동위원소에 대해 Tc는 원소의 질량의 1/2승에 역비례 

6 [5] Josenphson 효과  1960 Giaever : 두 전도체 사이에 절연 산화물을 입히고 전자가 tunneling 해서 통과하는 실험고안 energe gap 존재 증명 1962 Josephson 효과 : 전자쌍이 직접 tunneling 할 때 파동함수의 간섭에 의해 전류에 ossillation 이 생기는 것을 발견 전자쌍(Cooper pair) 존재를 실험적으로 확인   Josephson 효과 : 2개의 전도체가 얇은 절연막을 사이에 두고 접했을 때 Cooper쌍이 tunnel 효과에 의해 절연막을 통과하여 전류가 생김 (절연막도 초전도체 처럼 거동 )

7 ① 직류 Josephson 효과 : 일정치 이하의 직류전류(Ic)을 흘리면
두 초전도체의 상호작용으로 전위차가 없는 영구전류 ( : Cooper쌍파의 위상차) ② 교류 Josephson 효과 : if 직류전압 V를 가하면 V에 비례하는 주파수의 교류발생 I V Ic

8 [6] 고온 초전도  1973 Tc = 23ºK 인 Nb3Ge 발견 IBM의 Bednorz 와 Müller : 희토류 산화물인 La2-xBaxCuO4 에서 Tc = 35ºK 1987 Houston 대학 Chu : Y - Ba - Cu - O 계에서 Tc = 90 ºK ( cf 질소의 액화온도 : 77 ºK )  고온 초전도체 ① La2-xAxCuO4- 계 (A=Ba, Sr, Ca) ② RBa2Cu3O4- 계 (R=Y, La, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy…..) ③ 조성 관련의 고용체계 R1-xB2-xCu3O4- ④ 그외 : Bi-Sr-Ca-Cu-O계, Cu-O판 * 대상물질이 종래의 금속이나 금속화합물에서 산화물로 (관심학자 : 고체물리학자 재료분야, 전기전자분야, 화학자까지)

9 [7] 초전도의 응용 ① 초전도 magnet : 초전도 물질의 선재(線材)로서 coil 대전류를 흘릴 수 있다 큰 전력 손실없이 고자계 발생(발생가능 자계는 임계자계Hc까지) 예) 부상전철 ② 초전도 송전 : 입계온도가 Tc, 입계자장 Hc가 높은 재료를 사용하여 저손실 송전 Nb ~ pb if Ta와 Nb (혹은 pb) 모두 초전도 상태 coil에 전류 자계발생 상전도상태 on ~ off : 전자계산기 스위치 소자 Ta ③ Cryotron

10 <6.2> 熱電效果 : 열현상과 전기현상의 상호작용에 의한 제효과 [1] Seeback 효과 
: 열현상과 전기현상의 상호작용에 의한 제효과 [1] Seeback 효과 A B Q (저온) P (고온)  2종의 금속 혹은 반도체를 접합하여 폐회로를 만들고 그 집합점의 온도차 T = T1 - T 열기전력(熱起電力) 발생  if 좌측을 고온 우측에 비해 보다 많은 전자가 donor준위에서 여기 전자밀도가 증가 케리어 밀도 기울기로 인한 확산전류

11 2종의 금속 혹은 반도체를 접합하여 폐회로를 만들고 일정한 온도를 유지하면서 전류 Joule 열 이외의 열이 발생 or 흡수
 Seeback 전압 Seeback 계수 여기서 <ex> thermo - couple ex) Pt - Pt - Ph (PR), Chromel - Alumel (CA) [2] Peltier 효과  2종의 금속 혹은 반도체를 접합하여 폐회로를 만들고 일정한 온도를 유지하면서 전류 Joule 열 이외의 열이 발생 or 흡수 (발열) (흡열) - +

12  좌측 : 금속에 있는 전자는 열energy를 얻고 (eVF) 반도체로 이동 흡열 우측 : 전자는 열energy를 방출하고 금속으로 이동 발열   Seebeck 계수와 Peltier 계수 :  = T : 켈빈관계 <응용> : 전자냉동

13 [3] Thomson 효과 : 동일한 금속에서 부분적인 온도차 (온도의 기울기)가 있을때 전류를 흘리면 발열 or 흡열 ① 負(- ) Thomson 효과 : if 고온에서 저온부로 전류 흡열 ex) Pt, Ni, Fe ② 正(+) Thomson 효과 : if 고온에서 저온부로 전류 발열 ex) Cu, Sb

14 <6.3> 電子의 放出 [1] 일함수  일함수 : 전자 1개가 금속으로부터 이탈하는데 필요한 최소 energy 
영상력 (Image force) :  전자를 잡아 두기 위한 힘 : ① x  전체의 일함수 ②  일함수 ③

15 [2] 熱電子放出 ( thermioniemission)
 Edison 발견 Richardson & Dushman : mechanism 규명  일함수와 전자밀도 분포 : EB EW EF N(E) E (eV) 0ºk 2500ºk EB 보다 큰 energy 를 가진 전자는 금속을 탈출

16  Richardson - Dushman 식
④ ⑤ if 투과계수를 D (이론적으로 계산된 전자 모두가 방출되지 않음, 일부 금속내부로 반사) ④´  일함수가 작을 것 융점이 높을 것 고온에서도 기계적 강도가 클것  열음극 재료의 조건 : ex) Th ~ W 음극 ( 토륨, 텅스텐 ) , 산화물 피복 음극 , 텅스텐 음극

17 < 열전자방출에 수반되는 현상 >
(1) Schottky 효과 : if 전계를 가하면 energy 장벽이 낮아짐 실질적인 일함수가 작아짐 열전자방출이 증가 Ef EW EW 외부전계가 없는 경우 외부전계에 의한 potential energy 합성 potential energy ⑥ X에 대해 미분 에서 최대치 ⑦ ④

18 (2) 산사효과(散射效果 : shot effect)
열음극에서 튀어나오는 전자의 속도가 불균일 함으로 인한 열전자류 변동  진공관의 shot noise (3) 플러커효과(Flicker effect) 음극의 물리적 화학적인 변화로 인한 열전자류 변동  Flicker noise

19 [3] 광전자방출(光電子放出 : Photo - electrion emission )
: 외부광전효과 if E = h > EW 전자방출 ⑧ if 입계주파수 ⑨  광전자방출의 특징  방출전자의 초속도의 최대값은 주파수에 비례 ( 빛의 세기에 무관 ) 방출전자의 흐름은 빛의 세기에 비례 광전감도는 빛의 주파수에 따라 선택성

20 [4] 2차 전자방출 (2次 電子放出 : Secondary electron emission)
1次 電子 충돌 次 電子放出 (1/2mv2 > EW)  2차 전자방출비 1차 전자 energy, 금속의 종류, 표면상태, 입사각에 따라 <응용> Image orthicon, 광전자 증배관

21 [5] 電界放出 (field - emission) or 냉음극방출 (cold cathod emission)
EW 전계가 없을 때 전계에 의한 potential Tunnel 효과 if E = 109 [v/m] 장벽의 폭 100 [Å] 온도에 무관 (R –D식의 kT 대신 E에 관계) [a, b : 정수(일함수 포함)] 전자가 전위 장벽을 뛰어넘어서 밖으로 튀어나오는 것이 아님 <응용> 전계방출 현미경

22 [6] Luminescence 온도와 관계없는 모든 발광현상 ( cf 온도에 의해 빛 방출 온도 방사 or 열방사 )  형광 (fluorescence) : 외부에너지 전달후 10-8초 이내 빛 소멸 인광 (phosporescence)  광 luminescence 음극선 luminescence 전장 luminescence luminescence * Stokes´ low : 발광 파장은 여기광의 파장보다 길다.