전자기 현상 - 마찰전기 . 전력. 도체. 원적외선

[alun]

건조한 날에 자동차 문을 잡거나 합성 섬유로 만든 옷을 만지는 순간의 전기 감전 현상은 어떻게 생기는 것일까?

겨울철이면 신경 쓰이는 게 있다. 바로 정전기(靜電氣)다. 껴입었던 옷을 벗다 보면 탁탁 소리와 함께 여기저기서 불꽃이 일고 몸이 따끔거린다. 달리던 자동차의 문을 열기 위해 손잡이를 잡는 순간 손이 따끔 거리는 것을 자주 경험했을 것이다. 왜 정전기가 생길까?    위와 같은 현상을 정전기 현상이라고 한다. 정전기란, 발생한 전기가 한 물체에서 금방 다른 물체로 이동하지 않고 머물러 있기 때문에 붙여진 이름이다. 대부분의 정전기는 물체가 서로 마찰할 때 발생하므로 마찰 전기라고 부르기도 한다. 우주의 근원을 물이라고 주장한 그리스 최초의 철학자 탈레스는, 보석의 일종인 호박을 모포로 비벼 대면 먼지나 종이와 같이 가벼운 물질을 끌어당긴다는 사실을 관찰했다고 한다. 그러나 이것이 마찰 전기로 생기는 현상이라고는 알지 못했다.    건조한 날에 이와 같은 현상이 잘 일어나는 것은 물의 전기 친화성에서 그 이유를 찾을 수 있다. 공기 중의 수증기가 전기를 흡수하기 때문에 습한 날에는 정전기 현상이 일어나지 않는다. 자동차 문의 마찰 전기는 달리면서 공기와 마찰을 일으켜서 정전기가 생겼기 때문으로 건성 피부인 사람이 더 크게 느끼게 된다. 이 때 사람의 손에는 정전기 유도 현상이 일어난 것이다. 즉, 그 물체가 (-)로 대전되어 있었다면, 사람의 손에 있는 전자들이 척력에 의해 밀려서 (+)극을 띠게 되므로 전압이 생긴다.그리고 합성 섬유로 만든 치마가 자꾸 몸에 붙은 현상은 마찰에 의해 양쪽에 반대 전하가 생기고, 그 인력 때문에 생기는 현상이며, 겨울철에 머리를 빗고 나면 머리카락이 사방으로 솟구쳐서 원하는 모양이 잘 나오지 않는 것은 머리 카락이 같은 전하로 대전되어 척력이 작용하기 때문이다. 그런데 다행스럽게도 전기력에는 척력과 인력이 있어서 어느 한쪽으로 큰 힘이 작용하지 않는다.    그런데 전압 또는 전위차라고 하는 것은 전자의 이동이 많아 짐에 따라 두 가지 옷 사이에는 전기적인 압력을 말하는 것으로 이는 마치 큰 웅덩이의 물을 2등분해 한쪽의 물을 다른 쪽으로 계속 퍼 담으면 높은 수면 쪽에서 낮은 수면 쪽으로 수압이 생기는 것과 같은 이치이다.  이 전위차가 매우 크면 전자는 공기를 뚫고 (―)를 띤 물체에서 (+)를 띤 물체로 이동하게 된다. 이때 딱딱 소리가 나면서 불꽃이 보이는 것이다. 즉 작은 벼락이다.    정전기는 컴퓨터의 주요 부품을 훼손하기도 한다. 가스나 휘발유가 있는 곳에 정전기 불꽃이 튀면 불이 나기도 한다.  정전기가 생기지 않게 하려면 (+)와 (―)로 대전(帶電)되는 물체 사이를 전기가 잘 통하는 도선으로 연결해 주면 된다. 매우 가는 도선을 섬유와 함께 섞어 옷감을 짜거나 옷에 얇은 금속 막을 입히면 옷에 정전기가 생기는 것을 막을 수 있다. 유조차가 쇠사슬을 땅에 끌고 다니는 것도 차와 땅 사이를 도선으로 연결해 정전기가 생기지 않도록 하기 위함이다.   마찰 전기는 어떻게 생기는 것일까? 20세기 현대 물리에 의해 밝혀진 원자에 관한 중요한 사실은 원자는 원자핵과 그 주위를 도는 전자로 이루어졌으며, 원자핵은 양성자와 중성자로 구성된다는 것이다. 그리고 양성자(+전하)와 전자(-전하)는 서로 반대 전하를 띠고 있으며, 그 전하량이 같으므로 원자는 전기적으로 중성을 띠게 된다는 것이다. 그런데 두 물체를 마찰시킬 때, 한 물체는 전자를 잃어 양전하를 띠게 되고, 다른 물체는 전자를 얻어 음전하를 띠게 되는 것이다.   어떤 마술사가 스티로품처럼 가볍고 구멍이 많은 식물 조직을 둥글게 깎은 다음, 그 위에 알루미늄박이나 은박지를 입혀 표면에 전기를 띨 수 있는 도체로 만든 후, 이 도체구를 명주실로 매달아 놓고, 털가죽으로 문지른 유리막대를 도체구 근처로 접근시키면 공이 끌려 오는 현상을 보여준다. 이 때 유리막대와 도체구를 접촉한 후에는 서로 밀어내는 것을 관찰할 수 있다. 이 현상은 유리막대에 있는 전자가 털가죽의 전자보다 쉽게 전자를 내주는 성질을 가지고 있으므로 유리막대는 양전하를 띠게 된다. 물질마다 전자를 떼어내는데 필요한 에너지는 다르다. 대전된 유리막대를 도체구에 접근시킬 때, 도체구에 정전기 유도 현상이 일어나서, 인력에 의해 끌려오게 된다. 그리고 접촉시킬 때는 도체구에 있는 전자들이 일부 유리 막대로 이동하여 양쪽 다 양전하를 띠게 되어 척력이 작용하고 있는 것이다.   이 때 명심해야 할 사항은 우주에 존재하는 전하의 총량은 변함이 없다는 사실이다. 한쪽으로 전하가 이동할 뿐, 그 총량에 변화가 없다. 이것을 전하량 보존 법칙이라고 하여 에너지 보존 법칙과 함께 물리학에서 아주 중요한 법칙이다.

가정의 전압은 왜 110V에서 220V로 승압한 것일까?

 전압이 높을수록 감전 사고의 위험성이 커지는데도,

기존의 110볼트 대신에 220볼트를 사용하는 이유는 무엇일까?

   가정의 전압이 110V에서 220V로 2배로 늘면 가전 제품의 저항을 바꾸지 않는 한

옴의 법칙에 의해 전류도 2배 늘어난다. 그런데 가정에서 쓰는 가전 제품의 소비

 전력이 바뀌면 안되므로 새로운 제품의 저항을 기존의 것보다 4배 크게 해야 전력의 크기가 같게 된다. 즉, 전력 p=VI 이므로 전압을 2배로 하고 전력을 같게 하려면 전류가 1/2이 되어야 하는데,

그러려면 저항이 4배가 되어야 한다. V=IR 이라는 식을 이용하여 설명하면,

전압이 2배가 되었으므로 전류가 1/2이 되려면, 저항이 4배가 되어야 하는 것이다.

  같은 소비 전력의 110V용과 220V용의 전기 제품의 차이는 220V용의 저항이 4배나 크다는 사실이다.

그렇다면, 왜 이런 번거로운 과정을 거쳐야 할까?

  옛날에는 가정에서 필요로 하는 소비 전력이 현재보다 훨씬 작았다.

전열등을 포함하여 몇 가지 제품뿐이었다. 그런데 지금은 세탁기, 냉장고, 에어컨 등을

가정에서 사용하고 있으므로 가정에서 필요로 하는 소비 전력이 급증하였다.

이런 가전 제품들은 모두 병렬 연결되어야 하므로, 합성 저항이 작아져서

가정의 건물 내의 배선에 흐르는 전류가 이 전선이 견딜 수 있는 한계 전류 이상으로 커진다.

즉, 가정용 옥내 배선을 통과할 수 있는 전류의 양이 제한 되어 있으므로 옥내 배선의

전선을 모두 교체하여 한계 전류를 늘리지 않는 한 화재 등의 큰 재난에 노출되게 된다.

   그러나 옥내 배선의 전선을 모두 교체하는 것이 불가능하므로 전압을 높혀서 옥내

배선에 흐르는 전류를 줄이는 것이다. 수압이 세면 수도관을 바꾸지 않고도 수돗물을 많이

사용할 수 있듯이, 가정용 전압을 110볼트에서 220볼트로 승압하면 옥내의 전선을 바꾸지 않고도

2배의 전력을 사용할 수 있다. 이것은 송전 과정의 승압 효과와는 다르다.

 송전 과정의 승압은 송전선의 저항에 의한 전력 손실을 줄이기 위해 전류를 줄이는 것이지만,

가정의 승압은 사용할 수 있는 소비 전력을 늘리기 위하여 전류를 줄이는 것이기 때문이다.

[출처] 29. 전자기 현상. 전력|작성자 다이아몬드

원적외선이란 무엇인가?

   태양에서는 여러가지 종류의 전자파가 있지만 그중 우리가 눈으로 볼 수  있는 것은 가시광선 영역으로 한정되어 있다. 흔히 말하는 빨,주,노,초,파, 남,보의 일곱가지 색깔로 나누어질 수 있는데 그 중에 보라색의 파장이 가장 짧고 빨강색이 가장 길다. 빛은 진동을 하면서 진행을 하는데 1초당 진동하는 진동수가 많으면 파장이 짧아지고 진동수가 작으면 파장이 길어진다. 다시 말하면 10 m의 거리를 뛰어 갈 때 2걸음에 뛰면 파장이 5 m이고 5걸음에 뛰면 파장이 2 m라는 것이다. 그림을 보면 쉽게 이해할 수 있다.
         

<파장에 따른 빛의 종류>

   원적외선이란 ? 파장이 긴 적외선은 근적외선, 원적외선으로 구분할 수가 있는데 이중 제일 파장이 긴 원적외선은 그 하는 일이 우리 인간에게 이로운 것이 많기 때문에 여러 분야에서 많이 사용되고 있으며 앞으로 계속적인 연구가 필요한 분야 중 하나이다.

<원적외선 영역의 표시 >
  

   원적외선은 원적외선이 투사되어 물체에 흡수되면서 열에너지로 변환되는 성질을 이용  하는 방법이 많이 쓰이고 있다.

 
<원적외선의 발열효과>

예를 들면, 우리가 사우나탕에 들어 갔을 때 그 온도가 30℃일 경우에 거의 더운 기분을 느끼지 못하지만 같은 온도의 밖에 앉아 있으면 아주 기분 좋게  따스함을 느낄 수가 있는데 그 이유는 햋볕 속에 포함되어 햇볕이있는 원적외선이 피부 깊숙이 침투하여 진동하므로서 열을 발생시키기 때문이다.

   원적외선을 방사하는 세라믹스를 가열하면 원적외선이 발생하여 음식물 등에 안팍으로 고루 열이 전달되므로서 낮은온도에서 조리할 수 있고 맛이 좋게 된다.(남비에 직접 조리하지 않고 돌을 달구어서 굽는 고구마가 맛이 있는 까닭도 돌에서 나오는 원적외선의 효과)

원적외선은 어떠한곳에 사용되고 있는가?
     1) 주택/건축 자재에 원적외선 방사 재료를 배합하여 빠른 건조 효과
     2) 냉장고, 온장고, 그릇등 주방기구
     3) 섬유, 의류, 침구등에 사용하여 아늑하고 따스함을 느낌
     4) 건강 사우나복에 첨가하여 고열을 피해 낮은 온도에서 한증효과를 느낄 수 있고 사우나탕 등에도 원적외선 세라믹스를 가열하여 사우나 효과 증대
     5) 의료기구에 사용하여 근육통, 관절통등의 온혈효과

   이렇게 여러가지 용도에 쓰이고 있으나 사용하는 재료가 원적외선을 방사하지 않거나 적당하지 않으면 원적외선에 의한 열 효과를 기대하기 어려우며 아직까지 객관적으로 입증될 만한 뚜렷한 임상실험의 결과를 얻지 못하고 있으며 전문가들에 의하여 계속적인 연구가 수행되고 있다.

인버터 스텐드의 원리는?

스탠드를 켤 때 플라스틱을 대면 켜 지지 않고 철사나 손을 대면 켜집니다.  흔히 ‘인버터 스탠드’라고 불리는 탁상용 조명 기기는 스위치 역할의 금속 부분을 건드리면  불을 켜거나 끌 수 있고 기종에 따라서는 밝기를 한 단계씩 조절할 수 있는 것도 있다. 인버터 스탠드는 얼핏 보기에는 그 원리가 간단해 보이지만 실상 그 내부는 다소 복잡하다.    인버터 스탠드의 바깥에 드러나 있는 스위치 역할의 금속 부분은 일종의 ‘안테나  ’ 역할을 한다고 볼 수 있다. 이 금속 부분에는 접촉 감응 회로가 연결돼 있다.  평상시에 이 회로는 금속 부분에 아주 약한 양전하와 음전하를 아주 빠른 속도로 번갈아 충전시킨다. 즉 일정한 주파수를 가진 약한 교류 전류가 흐르면서 금속 부분에 번갈아 양전하와 음전하가  나타난다고 이해할 수 있다.    이 상황에서 금속 부분에 손을 대면 약한 전류가 몸으로 흘러버려 접촉 감응 회로에  교란이 일어나고, 전과 같은 크기의 전하를 충전 시키기 위해 접촉 감응 회로는 더 많은 전류를 보내게 된다. 이 변화는 2진 플립플롭(binary flip-flop)에 영향을 주는 신호가 돼 스위치를 이전과 다른 위치(예컨대 원래의 위치가 ‘1’이었다면 ‘ 2’의 위치로, 다시 한번 신호가 들어오면 다시 ‘1’의 위치로 가 는 식입니다)로 보내게 되고, 여기서 나오는 약한 전류는 전등의 스위치 역할을 하는 트랜지스터로 연결돼 전등을 켜거나 끄게 되는 것이다.    여기서 만약 철사나 젖은 수건 같은 것을 잡고 금속 부분에 댄다면 이들은 도체이기 때문에 손가락을 직접 댄 것과 같은 효과를 낸다. 반면 플라스틱 같은 것을 잡고 금속 부분에 대면 이것은 부도체이므로 아무런 영향을 주지 않는다. 즉, 스위치 역할의 금속 부분에 충전된 전하를 밖으로 흐르게 할 수 없기 때문이다.  [출처] 30. 전자기 현상. 도체|작성자 다이아몬드