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리튬이온 배터리

리튬이온 배터리는 충전하여 반복적으로 사용할 수 있는 배터리의 일종입니다. 배터리 내부의 양극과 음극 사이에서 리튬이온이 오락가락하여 충전과 방전을 함으로써 반복 사용할 수 있습니다.

리튬이온 배터리를 세계 최초로 상품화한 곳은 소니에너지텍으로, '리튬이온 배터리'이라는 이름을 붙였습니다. 반복적으로 사용이 가능한 전지를 이차전지로 분류하기 때문에 리튬이온 이차전지라고 부르기도 합니다.

리튬이온이란?

리튬이온은 배터리의 작동에 중요한 역할을 합니다. 리튬이온은 리튬원자가 이온이 된 것입니다. 바탕이 되는 리튬(원소기호 Li)은 원자번호 3의 원소입니다. 순수한 리튬은 백색을 띤 부드러운 금속입니다. 1개의 리튬원자에 하나의 전자가 제거된 것이 리튬이온(화학식은 Li+)입니다. 전자는 마이너스 전하를 가지고 있으므로 리튬이온은 전자 하나 분의 플러스 전하를 가지고 있는 것입니다.

리튬이온은 액체나 고체에서 움직이기 쉬운 성질을 가지고 있습니다. 다른 많은 이온은 움직이기 어려워서 오락가락 이동시키기 어렵습니다. 그러나 움직이기 쉬운 리튬이온을 사용함으로써 배터리로 작동할 수 있는 것입니다.

리튬이온 배터리의 구조

리튬이온 배터리는 일반적으로 양극 · 음극 · 전해액 · 세퍼레이터로 구성됩니다. 전해액에 양극과 음극이 세퍼레이터를 사이에 두고 잠겨있습니다.

◆ 리튬이온 배터리의 구성재료
• 양극 : 리튬과 금속을 포함하는 산화물(세라믹)이 사용됩니다. 대표적인 예로는 리튬코발트산화물(LiCoO2)이나 니켈산리튬(LiNiO2), 망간산리튬(LiMn2O4) 등이 있습니다.
• 음극 : 주로 흑연이 사용됩니다.
• 전해액 : 유기용매에 리튬화합물(LiPF6, LiBF4, LiClO4 등)을 녹인 것이 사용되고 있습니다. 유기용매의 예로는 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트 등이 있습니다.
• 세퍼레이터 : 폴리올레핀이라는 고분자화합물로 이루어진 막을 사용합니다. 막의 표면에는 1마이크로미터 이하의 작은 구멍이 있습니다. 폴리올레핀의 구체적인 예로는 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 등이 있습니다.
•  용기 : 금속케이스 및 적층재(알루미늄 또는 스테인레스와 같은 얇은 금속을 폴리에틸렌, 테레프탈레이트 및 폴리프로필렌 등의 수지로 샌드위치한 것)이 사용됩니다.
※ 1마이크로미터는 1밀리미터의 1000분의 1

리튬이온 배터리가 방전(충전 및 방전)을 하는 원리

리튬이온 배터리가 방전(충전 또는 방전)하면 리튬이온이 양극과 음극 사이를 이동합니다. 리튬이온 배터리에 사용되는 많은 양극과 음극의 재료는 층상구조로 되어 있으며, 층과 층 사이에 리튬이온을 저장할 수 있습니다. 위에서 언급한 바와 같이 리튬이온은 전자 하나 분의 플러스 전하를 가지고 있기 때문에, 리튬이온을 포함한 음극재료에서 리튬이온이 빠져나갈 때 음극은 마이너스 전하를 가지게 됩니다. 이 마이너스 전하를 전자로써 배터리에서 추출하여 전력을 얻을 수 있습니다. 이 과정이 방전반응(배터리를 사용하는 반응)입니다.

반대로 외부에서 전기를 공급하면 음극에서 전자를 받아들여 음극재료가 마이너스의 전하를 가지게 됩니다. 이 마이너스를 상쇄하기 위해 양극에서 온 리튬이온이 음극에 포함됩니다. 이 과정이 충전반응(배터리를 사용할 수 있는 상태로 만드는 반응)입니다. 음극에 리튬이온이 쌓여 있기 때문에 위에서 설명한 방전을 할 수 있게 됩니다.

충전과 방전에서 양극은 음극에서 나간 리튬이온을 모으거나 음극에 모인 리튬이온의 목적지 같은 역할을 하고 있습니다. 이렇게 리튬이온을 움직여 전기를 저장하거나 방전시켜 이차전지로 작동하게 합니다.

전기란 무엇일까?

전기는 전자의 흐름으로 전기의 근원은 전자라는 작은 입자이다. 전지에 꼬마전구를 연결하면 많은 전자가 도선을 흐르고 전구가 빛난다.

건전지의 원리

건전지는 화학반응을 이용한 작은 발전소이다. 아연과 이산화망간 등의 혼합액에서 화학반응이 일어나면 전자를 잃기 쉬워지거나 받아들이기 쉬워진다. 이때 전자가 이동하여 전기가 흐른다.

Explain that Stuff
How do batteries work? A simple introduction - Explain that Stuff
https://images.app.goo.gl/rcaDe1JacDqVkcuh7

1 : 이산화망간 등의 혼합액 및 아연캔에 의해 전자가 나온다.
2 : 아연에서 떨어져 나온 전자가 음극에서 양극으로 이동하여 꼬마전구가 빛난다.
3 : 전자는 양극에서 탄소막대를 지나 이산화망간 등의 혼합액에서 전자가 사용된다.
4 : 반복적으로 화학반응이 일어나고 전자의 이동에 의해 꼬마전구가 빛난다.

건전지가 사용불능이 되는 이유

화학반응이 일어나지 않게 되면 전기는 만들 수 없게 된다. 건전지 안의 전기를 만드는 재료가 없어지면 전기가 흐르지 않게 되어 건전지를 사용하지 못한다. 그리고 건전지의 종류에 따라 수명이 다르다.

사용이 끝난 건전지는 어떻게 될까?

건전지에는 자극이 강한 약품이나 몸에 묻으면 위험한 재료가 채워져 있다. 사용이 끝난 건전지는 정해진 쓰레기로 버리거나 가전판매점에 가져가 처리한다.

● 망간 · 알칼리 건전지, 리튬 전지는 일반 불연물
플러스와 마이너스를 스카치테이프로 덮어 절연하는 것이 안전하다. 현재는 수은이 사용되지 않으므로 타지 않는 쓰레기로 버려도 좋다.

● 버튼전지는 재활용
가까운 전자가게, 시계점, 카메라점 등에 있는 버튼전지 수거함에 넣는다.

● 소형 충전식 전지 (니카드 전지 · 니켈수소 전지 · 리튬이온 전지 · 소형씰 납축전지)는 재활용
플러스와 마이너스를 스카치테이프로 덮어 절연하는 것이 안전하다. 재활용 마크가 붙어있어 다른 전지와 구별된다. 사용된 충전식 배터리는 희소자원의 효율적인 활용을 위해 대리점이나 슈퍼 등에 놓여있는 재활용 상자에 넣는다.

● 자동차 배터리, 산업용 배터리는 재활용
교체시 판매점에서 인수해 준다.

다양한 전지

다양한 목적으로 여러가지 형태의 전지가 만들어지고 있다. 전지는 동일한 형태여도 종류가 다르거나 종류가 다른 경우에도 같은 모양을 하고 있고, 큰 것부터 작은 것까지 여러가지가 있다.

• 아주 작은 스케일에서 일어나는 원자가 결합하는 모습의 촬영에 성공했다
• 실험은 탄소나노튜브에 잡힌 2개의 금속원자를 사용하여 이루어졌다
• 동영상에서는 원자가 거리에 따라 일단은 구조를 절단하지만, 다시 결합하여 분자로 안정되는 과정을 확인할 수 있다.

이 세상에 존재하는 모든 물질은 원자의 결합에 의해 이루어져 있습니다. 끈적끈적 늘어나는 점액도 반들반들과 경질금속도 원자가 어떻게 결합했는지에 따라 만들어진 것입니다. 현대의 원자론이 등장한 것은 16세기경으로 알려져 있지만, 양자이론이 등장하기 시작한 20세기 초반까지도 많은 물리학자는 물질이 원자로 되어있다는 생각에 회의적이었습니다. 모든 원자는 너무 작아서 볼 수 없었기 때문입니다.
그러나 현대기술은 전자현미경을 사용해서 원자를 볼 수 있습니다. 그리고 새로운 연구에서는 머리카락 너비의 50만분의 1이라는 스케일에서 일어나는 원자들이 결합하여 분자를 구성하는 과정의 촬영에 사상 처음으로 성공했습니다.

이 연구논문은 독일의 울름대학 Ute Kaiser 교수와 영국 노팅엄대학의 Andrei Khlobystov 교수를 중심으로 한 국제연구팀에서 발표되어 과학저널 'Science Advance'에 1월 17일 게재되었습니다

극단적으로 작은 세계

이번 연구과제는 화학결합의 길이가 0.1-0.3나노미터(나노는 10억분의 1)라는 원자쌍을 촬영하는 작업이었습니다. 일반적인 광학현미경은 가시광선을 사용하여 물체를 보지만, 가시광선은 원자보다 파장이 길어서 너무 작은 것에는 간섭할 수 없어 볼 수 없습니다.

그래서 등장한 것이 전자현미경입니다. 전자는 가시광선보다 훨씬 파장이 짧아서 원자 간의 틈새까지 볼 수 있습니다. 가시광선보다 파장이 짧은 X선은 단파장의 빛이 매우 에너지가 높아서 관찰대상에 영향을 주지 않고 볼 수 없었습니다. 또한 X선은 렌즈로 굴절시키기 어렵다는 것도 문제 중 하나입니다. 현미경은 당연히 렌즈가 필요합니다. 전자라면 자력을 이용한 렌즈로 쉽게 굴절시킬 수 있어서 현미경의 사용에 적합합니다.

이번에 사용된 것은 투과형 전자현미경 (TEM)라는 유형입니다. 이것은 그림자처럼 전자를 투과시켜 그 투영을 볼 수 있는 타입의 현미경입니다.

촬영된 것은 레늄(원자번호 75번, Re)의 원자로 희귀금속의 일종입니다. 원자번호가 큰 무거운 금속이 사용된 이유는 가벼운 원소보다 TEM으로 관찰이 쉽기 때문입니다. 실제로 영상에서 레늄은 주위의 카본튜브의 탄소보다 명확하게 검은 그림자로 식별할 수 있습니다. 그리고 직경 1나노미터 정도의 탄소나노튜브를 이용하여 원자와 분자의 움직임을 제한하고 정확한 위치를 파악하여 촬영하는 것이 가능하게 되었습니다.

원자의 결합 및 이산

연구팀은 전자빔을 원자의 위치확인 및 영상화에 사용했을 뿐만 아니라 원자에 에너지를 주어 화학반응을 활성화시켰습니다.

이번 결합하는 원자의 촬영은 연구팀이 지금까지의 연구에서 쌓아온 풍부한 전자빔 기술에 의해 이루어지고 있습니다.

원자를 촬영하는 것 자체는 지금까지도 이루어져 왔습니다. 이번 연구에서 중요한 점은 실시간으로 시간과 공간적인 연속성을 유지하면서 그 모습을 촬영했다는 데 있습니다.

동영상에는 원자 사이의 결합의 모습이 선명하게 찍혀 있습니다. 원자가 이동하면서 결합장을 변화시키고, 주위의 환경에 따라 결합이 강해지거나 약해지거나 합니다.

여기에서는 Re원자가 결합한 후 진동하면서 타원형으로 왜곡된 후 결합을 늘리고 있습니다. 결합장이 각각의 원자반경의 합계를 초과하면 결합이 끊어져 진동이 멈추고 서로 독립적인 원자가 되지만, 그 거리가 가까워지면 결합하여 Re2분자를 형성합니다.

원자끼리 붙어 분자를 형성하는 이유는 원자의 최외각에 있는 전자가 남아돌아 불안정해지기 때문입니다. 원자는 에너지가 낮은 전기적으로 중성인 안정된 상태를 선호합니다.

원자의 결합은 최외각의 전자가 어떤 궤도에 몇 개가 남아있는지에 따라 결합방식이 달라집니다. 질소는 3개의 전자가 각각 남아있어 3중결합을 일으킵니다.

이번 연구에서 사용된 레늄은 전이금속으로, 이 결합에 관여하는 전자의 수가 상황에 따라 변화해버려, 단일결합부터 5중결합까지 일으킬 수 있는 조금 특별한 원소입니다.

이러한 원소의 결합은 특히 이해가 어렵습니다. 이번에 촬영된 영상은 레늄원자의 4중결합으로, 이런 과정을 시각적으로 관찰하는 것을 통해 결합을 이해하기 위한 중요한 새로운 통찰력을 제공합니다.

2015년은 유네스코가 지정한 '빛과 광학기술의 국제년(국제광년). 1000년 전, '광학의 아버지'라고 불리는 이븐 알하이삼에 의한 빛의 굴절과 반사 등 광학의 기초를 마련한 연구와 1905년 아인슈타인에 의해 빛을 양자로 취급한 광전 효과에 관한 이론을 발표했고 1915년에는 빛의 진행방식을 포함한 장의 방정식을 도출한 일반상대성이론을 완성시키는 등 광과학에 있어서 역사적인 이정표를 달성한 해이기도 하다.

1월 19, 20일 프랑스 파리에서 오프닝 세레모니가 개최되어 국제광년이 막을 열었다.

모든 것의 근원

생명은 지표에 닿는 태양광을 이용하여 진화했다. 박테리아나 식물의 광합성 작용은 빛에너지를 화학에너지로 변환하여 유기물을 합성하고 부산물로 산소를 내뿜는다. 지난 수만 년간 만들어져 온 유기물이 생태계를 지원하고 지금도 에너지와 식량으로 이용되고 있다. 말하자면, 지구상에 있는 거의 모든 생명활동의 근원은 태양에서 오는 빛에너지인 것이다.

빛을 도구로 사용하기 시작

인류는 빛을 이용하고 제어하여 생활을 편리하게 해왔다. 혁신적으로 광학이 발달한 시기는 16세기 말로 네덜란드 얀센 부자에 의해 현미경이 발명되었다. 이후 갈릴레오 등에 의해 개량된 현미경, 망원경이 활용되기 시작하여 인류는 더 작은 것, 더 먼 것을 볼 수 있게 되었다. 유럽에 퍼졌던 현미경은 정확도가 높아지면서 생물의 최소단위인 세포와 모세혈관, 적혈구가 잇따라 발견되어 생물의 미세구조가 밝혀졌다. 또한 레벤후크가 빗방울 속에서 발견한 미생물은 세균이라는 새로운 개념을 형성하였고 전염병의 예방과 치료에 기여했다.

한편, 빛이 도구로 이용되면서 빛 자체의 본성에 대해서도 관심이 높아져 갔다. 빛을 섬세한 입자로 생각한 뉴턴과 파동으로 생각한 호이겐스를 중심으로 논의가 활발해졌고 토머스 영과 프라운호퍼, 프레넬 등에 의한 실험, 이론에 의해 빛의 파동설이 유력시되어 갔다.

현미경의 발명으로부터 약 3세기 동안 현미경은 생물학 연구에 중요한 도구의 지위를 유지했다. 하지만 광학현미경으로 볼 수 있는 한계가 다가온다. 1873년 에른스트 아베가 빛파장의 절반보다 작은 것은 볼 수 없다는 이론적인 한계를 나타낸 것이다.

빛을 만들어내다

보다 미시적인 세계를 보기 위해서는 더 작은 파장의 빛이 필요하게 된 것이다. 광학현미경에서 사용하는 빛은 일반적으로 가시광선을 말하며, 그 파장은 400~700나노미터이므로 원리상 볼 수 있는 한계는 200나노미터 정도였다. 그래서 등장한 것이 빛 대신 전자를 이용하는 전자현미경. 이로 인해 볼 수 있는 이론적 한계는 단번에 1000배 이상이 되었다. 가속전압의 향상 등 기술의 발전으로 오늘날에는 원자의 모습을 포착하기에 이르렀다.

이와 비슷한 시기에 등장한 것이 방사광. 마찬가지로 전자를 이용하고 있지만 전자 자체가 아니라 거의 빛의 속도까지 가속된 전자의 궤도를 변경할 때 나오는 전자파(방사광)를 이용하고 있다. 가시광을 포함한 적외선부터 X선이라는 폭넓은 파장의 빛을 연속적으로 얻을 수 있어서, 보는 대상에 따라 어떤 파장을 선택할 수 있다는 장점이 있다. 그리고 가장 큰 특징은 레이저처럼 지향성이 매우 높고 작은 영역에 집중하여 빛을 조사할 수 있다. 동일한 영역(입체각)으로 비교하면 무려 태양의 100만 배 이상 밝은 것으로 계산된다. 원래는 소립자물리학의 실험장치로 등장한 가속기에서 성가신 존재로 취급되었던 것이다. 소립자실험의 입장에서 보면 단순한 에너지의 손실에 지나지 않는 방사광이었지만, 짧은 파장의 X선까지 고강도로 사용할 수 있어, 미시세계를 볼 수 있는 빛이라는 강력한 도구가 되었다.

그리고 1974년 도쿄대학 물성연구소에 세계 최초로 방사광 전용가속기 SOR- RING이 완성되었고 이어서 1982년 KEK의 전신인 고에너지물리학 연구소에서 Photon Factory가 운전을 개시했다. 이러한 방사광시설의 탄생을 통해 '구조생물학'이라는 새로운 분야가 확립되었다. 생명활동의 기본이 되는 단백질의 입체구조를 원자 수준으로 파악하여 기능과 역할을 연구하는 것이다. 방사광의 등장 이후 규명된 단백질의 수는 10만을 넘어 지금도 한 시간에 1개의 페이스로 계속 증가하고 있다. 또한 방사광이 다른 현미경과 크게 다른 특징으로는 원자, 분자의 상뿐만 아니라 전자의 에너지와 스핀 등 물질의 성질의 핵심정보를 얻을 수 있다는 점도 들 수 있다. 전자의 상태와 동작을 이용한 반도체를 비롯한 재료개발의 역사가 현재의 스마트폰이나 태블릿 등 전자기기에 연결되어 있다.

2014년 말에 발표된 노벨상도 빛과 광학기술의 역사에 새겨질 것이다. 원리적인 한계를 넘은 해상도를 가진 광학현미경의 개발에 화학상, 청색 LED의 개발에 물리학상이 수여되었다.

빛과 잘 어울리기

빛을 만들어 사용하는 것에는 폐해도 있다. 밤의 지구는 지형을 간파할 정도로 도시 불빛에 비추어지고 있다. 노벨 물리학상 수상 이유로 '조명에 소비되는 에너지는 세계 전력의 4분의 1에 달하고 화석연료의 절약과 온실가스 감축에 크게 기여할 것으로 기대된다'고 언급한 바와 같이, 에너지 문제는 중요한 과제가 되고 있다.

빛을 잘 활용하여 탄생과 진화를 이룬 생명체 그리고 빛을 생성하고 제어하는 ​​기술로 문명을 발전시켜 온 인류. 앞으로 빛과 어떻게 어울려 갈지 기대된다.

※ 단백질정보 은행(PDB : Protein Data Bank)은 단백질 등의 생체고분자의 입체구조를 축적하고 있는 국제공공 데이터베이스이다. PDBj(Protein Data Bank Japan)는 다른 조직과 협력하여 생체고분자의 입체구조 데이터베이스를 국제적으로 통일화된 PDB 아카이브로 운영하고 다양한 분석도구를 제공하고 있다.

출처 참조 번역
· Wikipedia
· INTERNATIONAL YEAR OF LIGHT 2015 공식페이지 (영어)
http://www.light2015.org/Home.html
· IYL2015 JAPAN
http://iyl2015-japan.org/

· 国際光年
https://www.kek.jp/old/ja/newsroom/2015/02/09/1500/

삼상교류(three-phase current)는 전류 또는 전압의 위상을 서로 어긋나게 한 3개의 단상을 조합한 교류이다. 다상시스템의 일종으로 전력계통에 있어서 세계에서 가장 대중적인 송전방법이다. 그뿐만 아니라 대형 전동기 및 기타 대형 부하에서도 사용된다. 전동기에서의 응용에는 독일의 전기메이커 AEG가 가장 이바지했다.

삼상시스템은 단상교류 및 듀플렉스 교류보다 같은 전압으로 송전하는 경우에는 도체의 사용량이 적어 경제적이다. 삼상시스템은 Galileo Ferraris, Mikhail Osipovich Dolivo-Dobrovolsky, Jonas Wenström, 니콜라 테슬라 등에 의해 1880년대 말에 발명되었다.

원리

120도(2pi/3[rad])씩 위상을 어긋나게 하여 각각의 위상의 어긋남이 같은 삼상교류를 대칭삼상교류라고 부르는데, 일반적으로 대칭삼상교류를 단순히 삼상교류라고 부른다.

삼상교류전원은 주로 교류전동기의 구동에 사용된다는 점에서, 전력회사 등은 동력이라고 부른다.

결선

◆ Y결선
Y결선(와이결선, 성형결선, 스타결선)은 삼상 각 상을 그 일단의 중성점에 연결하는 결선.

 
각 상간의 전위차를 선간전압이라고 하며, 각상과 대지 간의 전위차를 상전압이라 한다. 결선 외부의 각상의 전류를 선전류라고 하며 결선의 각상의 전류를 상전류라 한다.

Y결선에서 선간전압은 상전압의 루트 3배와 같다. 또한 선전류는 상전류와 같다.

◆ Δ결선
Δ결선(델타결선, 삼각결선)은 삼상 각상을 상전압이 가해지는 방향으로 연결하여 폐회로로 한 결선.

Δ결선에서 선간전압은 상전압과 같다. 또한 선전류는 상전류의 루트 3배와 같다.

Y결선과 Δ결선의 상전압과 상전류의 차이를 이용하여 농형삼상 유도전동기를 Y결선에서 시작하고 도중에 Δ결선으로 전환하여 기동전류를 3분의 1로 억제하는 스타델타 시동법이 존재한다.

◆ V결선
V결선은 Δ결선의 삼상 중 일상을 제외한 결선.

V결선에서 선간전압은 상전압과 같다. 또한 선전류는 상전류와 동일하다. 단상변압기 2대로 V결선을 구성할 수 있지만, 이 경우 변압기의 최대용량은 단상변압기 1대의 정격용량의 루트 3배가 되어 단상변압기 3대가 필요하지만, 단상변압기 1대분의 3배의 최대용량을 얻을 수 있는 Y결선과 Δ결선에 비해 효율이 나쁘다. 또한 V결선은 V자 형태로 되어 있다.

삼상교류전력

Y결선, Δ결선의 삼상교류전력 P는 선간전압을 V, 선전류를 I, 역률을 cos θ로 하면 P = 루트3 VIcosθ로 정리된다.

삼상교류송전

삼상교류에 의한 송전은 단상교류에 의한 것과 비교해 다음과 같은 이점이 있다.

• 전선 한 개당의 송전전력이 크다.
• 같은 송전전력이라면 전선의 중량을 저감할 수 있다.
• 삼상교류로 단상교류를 출력할 수 있다.
• 삼상교류로 회전자기장을 쉽게 얻을 수 있다.

구체적인 송전방식으로는 다음과 같은 방법이 있다.

삼상 3선식
• 저압 삼상 3선식
• 고압 삼상 3선식
• 20kV/30kV급 삼상 3선식

삼상 4선식
• 저압 삼상 4선식
• 11.4kV Y결선

출처 참조 번역
· Wikipedia
· 三相交流
https://ja.m.wikipedia.org/wiki/%E4%B8%89%E7%9B%B8%E4%BA%A4%E6%B5%81

10년 전 100GB 미만 모델이 주류였던 HDD를 지금은 TB 모델을 10만 원도 되지 않는 가격으로 구입할 수 있게 되는 등 대용량화, 저가격화가 쉼 없이 진행되고 있습니다.

대용량화를 실현한 배경에는 '수직 자기기록 방식'이라는 기록방식이 크게 기여했는데, 새로이 '용량 무한대의 HDD'의 실현이 기대된다는 물리현상이 발견되었습니다.

容量無限のハードディスクへ道　九工大など新現象発見：日本経済新聞
http://www.nikkei.com/news/headline/article/g=96958A9C93819595E2E1E2E2E18DE2E1E2E5E0E2E3E386989FE2E2E2

Phys. Rev. Lett. 107, 017205 (2011) : Tuning Magnetotransport through a Magnetic Kink Crystal in a Chiral Helimagnet
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v107/i1/e017205

일본경제신문사의 보도와 미국물리학회 전문지 'Physical Review Letters'에 게재된 내용에 따르면, 큐슈공업대학의 공학연구원에서 기초과학연구계 양자물리학 부문을 연구하는 岸根順一郎 교수가 러시아의 우랄주립대학과의 공동 성과로서 새로운 물리현상을 발견했다고 합니다.

새로운 발견의 내용은, 전자의 회전으로 이루어진 미소자석(스핀)이 변화하는 현상으로, 외부에서 자기장을 가하면 전기저항이 무한대가 된다는 것.

현재의 기록매체는 '1'과 '0'이라는 2종류의 신호(비트)로 정보를 저장하고 있습니다만, 이번 발견은 다중신호로 저장할 수 있어서 저장용량이 무제한이 되는 '무한 비트'의 기록매체를 실현할 가능성이 있으며, 조기 실용화를 목표로 하고 있다고 합니다.

현재 HDD의 새로운 대용량화를 향해서 많은 기업이 연구를 진행하고 있으며, '열 어시스트 자기기록 방식'이나 '마이크로파 어시스트 자기기록 방식'이 주목하고 있습니다만, 이번 발견이 만약 실용화할 수 있다면 플래시 메모리로의 대체가 진행되고 있는 HDD가 일약 주목을 받게 될 것입니다.

N극 또는 S극만을 가진 자석(자기단극자)을 일반 자석과 백금을 조합한 간단한 구조로 만들 수 있다는 것을 이론적으로 설명했다는 보도가 나왔습니다. 도쿄도립대학원 이공학연구과 多々良源 준교수와 竹内祥人 연구원이 실시한 연구입니다.

(PDF 파일) N極・S極だけをもつ磁石・磁気モノポールの発見
http://www.tmu.ac.jp/news/topics/4376.html?d=assets/files/download/thesis/press_120227.pdf

자료에 따르면, 모노폴(monopole)을 자석과 백금의 접합이라는 간단한 구조로 만들 수 있다면, 정보기기 내에서 N극만을 갖는 자석을 만드는 것이 가능하게 되어, 자원매장량에 문제가 있는 희토류 금속을 이용하지 않고도 고밀도의 장치를 만들 가능성이 있다는 것. 또한 모노폴을 조작하고 흐름을 만들면 자기장과 전기장을 대등하게 조작할 수 있게 되어 지금까지의 동작원리를 넘어선 새로운 정보전달과 정보기록이 가능하게 될 것으로 기대된다고 합니다.

자석(상층)과 백금(하층)의 접합구조에서 발생하는 자기단극자류와 모노폴이 만드는 전류

상대론적 효과(스핀궤도 상호작용)과 자석내의 자화운동에서 생성되는 자기단극자(스핀덤핑 모노폴)의 개념도

Wikipedia에서 '자기단극자'에 대해 알아보면, 자석은 N극, S극의 두 극이 항상 존재하며 이 조합을 자기쌍극자라고 합니다. 하나의 극만을 가진 자석, 즉 자기단극자(모노폴)는 현재까지 관측되지 않았고 존재하지 않는 것으로 간주합니다. 예를 들면 끝이 각각 N극과 S극으로 되어있는 막대자석을 중간에서 둘로 접는다 해도 마찬가지로 끝이 각각 N극과 S극으로 되어있는 막대자석이 되며 N극과 S극만을 추출할 수 없습니다.

전자석을 생각하면 이것을 쉽게 이해할 수 있습니다. 전자석은 전류를 흘린 코일이며, 이것을 둘로 나누어도 감긴 수가 절반인 전자석이 두 개가 만들어집니다. 영구자석에 대해서도 그것을 구성하는 물질의 원자가 전자석과 같은 역할을 하고있는 것이며 원리는 동일합니다. 맥스웰의 방정식으로 대표되는 고전전자기학은 이 전제하에 구성되어 있습니다.

한편, 전기는 플러스와 마이너스가 존재하고 이것들은 단독으로 추출할 수 있습니다. 이것은 전기의 근원이 플러스인 양성자와 마이너스인 전자에서 유래하고 있기 때문입니다. 그리고 고전전자기학은 전기와 자기의 관계에 대해 대칭이며, 이 관계를 반대로 하는 것이 가능합니다. 코일에 흐르는 전기에 의해 자력이 발생하는 즉 원주 위를 회전하는 전자의 운동에 의해 자기장이 생깁니다. 이것을 자기단극자가 원주 위를 회전하는 것에 의해 전계가 생긴다는 모델로 대체할 수 있습니다. 즉, 맥스웰의 방정식은 자기단극자의 존재를 허용하도록 쉽게 변경할 수 있습니다. 또한 1931년 폴 디랙은 양자역학에서 자기단극자를 고려할 수 있고 게다가 그것이 가능하기 위한 조건에서 전하의 최소단위가 도출되는 것으로 나타나 자기단극자가 일약 주목을 받았습니다.

"전자처럼 전기의 근원이 되는 전하를 가지고 자유롭게 움직이는 입자가 존재하니, 자기의 근원인 자하를 가진 입자도 존재한다고 생각하는 것은 지극히 당연하다."

여기에는 근본적인 문제가 있는데, '중력 이외의 자연계에 존재하는 근원적인 힘을 통일하는 대통일 이론에서 자기단극자의 생성은 우주 탄생의 초기에 해당하는 거대한 에너지가 필요한 것으로 나타났는데, 당연히 현재 지구상에서 그것을 만들어 낼 방법은 없다는 것.

그러나 이번 발견은 '자석 내의 무거운 원소가 가지고 있는 상대론적 효과를 활용하여 실험실에서 자기단극자을 생성하는 것이 가능하다는 것을 밝힌 것으로, 물질 중의 자연법칙을 크게 발전시켰다'고 평가받고 있습니다.

전자기학이 완성된 19세기 이후 처음으로 우리는 전기와 자기를 대등하게 취급하는 것이 가능하게 되는 것입니다. 자기단극자를 활용한 이 기술은 기존의 방법으로는 가까운 미래에 한계를 맞는 장치의 고밀도 집적화 및 에너지 절약, 새로운 정보통신 기술의 개발 등에 활로를 개척할 가능성을 내포하고 있습니다.

이 성과는 일본물리학회가 발행하는 영문 잡지 Journal of the Physical Society of Japan(JPSJ)의 주목 논문(Editors 'Choice)으로 게재될 예정이라고 합니다.

알루미늄의 특징 중 하나는 자기를 띠지 않는다는 점입니다. 이 특성을 살려 파라볼라 안테나와 배의 자기나침반 등 계측기기 및 전자의료기기, 메카트로닉스 기기 등에 사용되고 있습니다. 철 등과 같이 자기를 띠는 금속과 무엇이 다를까?

전자운동에 의한 자기발생의 원리

전자(전하)가 원자 속을 돌아다니는 것으로 인해 자기장이 만들어집니다. 도선에 전류를 흘리면 도선에 수직인 평면 내에서 도선을 중심으로 하는 동심의 자기장이 생기는 현상과 같은 작용입니다.

원자에서의 전하의 이동은 3가지 종류가 있습니다.

• 전자의 핵을 중심으로 한 공전
• 전자 자신의 자전(스핀)
• 원자핵 자신의 자전

원자핵 자신의 자전운동에 의한 자기는 매우 약하기 때문에 전자만 고려해도 좋습니다. 전자의 공전운동으로 원자핵을 중심으로 한 자기모멘트가 발생하고, 전자의 자전운동으로 전자의 위치에서 자기모멘트가 발생하고 있습니다. 원자핵의 주위에는 원자번호의 수만큼 전자가 여러 궤도로 공전하고 있습니다. 각각의 궤도에서 전자의 자전방향이 반대인 대전자가 도는 것으로 인해 자기장이 상쇄되면, 전체적으로는 자기장이 밖으로 나오지 않습니다. 따라서 원자가 대전자가 없는 전자를 가짐으로써 자기모멘트가 커지는 것입니다.

자성체와 자구

이처럼 모든 원자는 자기모멘트를 가지고 있으며,
자석에 달라붙는 것만이 자성체가 아닌 모든 물질이 자성체인데, 일반적으로는 강자성체를 자성체라고 부르고 있습니다.

• 강자성체 : 외부자기장이 작용했을 때, 매우 강하게 외부자기장의 방향으로 자화되는 물질
• 반자성체 : 외부자기장과 반대방향으로 자화되어 자석에 반발하는 물질
• 상자성체 :약하게 자화되는 물질

강자성체는 자화되지 않았을 때는 그 내부에서 '자구'라는 자기모멘트를 갖춘 작은 구획으로 나누어져 있으며, 이 자구가 다양한 방향을 향하며 상쇄시켜 전체적으로는 자기를 띠지 않습니다. 여기에 강한 외부자기장이 작용하면 자구의 방향이 한 방향으로 정렬됨으로써 전체적으로도 자기를 띠는 것입니다. 철, 니켈, 코발트 등이 이에 해당합니다. 외부자기장을 제거해도 남아있는 자기를 잔류라고 부르며, 이것이 큰 것을 경질자성 재료, 작은 것을 연질자성 재료라고 합니다. 영구자석은 경질 자성 재료입니다. 또한 자기의 방향이 모두 갖추어진 경우를 페로자성, 일부가 갖추어지지 않는 경우를 준강자성이라고 합니다.

반자성체는 강한 자기장 안에 놓이면 물질의 표면에서 반대방향의 자기장을 발생하는 물질입니다. 이 반발력은 자석의 같은 극을 가까이했을 때와는 달리 어느 극을 가까이해도 거기에 반발하는 것입니다. 헬륨, 금, 은, 구리 등이 이에 해당합니다.

상자성체는 외부자기장이 없을 때는 자성을 가지지 않는 물질입니다. 강자성체도 온도가 일정 이상이 되면 '상자성'을 나타내는데, 이 온도를 퀴리점 또는 퀴리온도라고 합니다.

금속 이외에서는 산소와 일산화탄소, 유리 등이 상자성체입니다. 철은 강자성체이고 알루미늄은 상자성체입니다. 철 등은 부대전자를 가지는 d궤도가 있고 알루미늄 등은 대전자가 자기모멘트를 상쇄하고 있으므로, 이에 따라 발생하는 자기모멘트는 철의 수만 분의 일 이하가 되어 거의 자석에 붙지 않는 것입니다.

*
자기장은 전기장과 밀접한 관계가 있어 실제로는 매우 복잡한 것이지만, 여기서는 간이적으로 다루고 있습니다.

 
출처 참조 번역
· Wikipedia
· 磁性について
http://alfaframe.com/mame/10344.html

전기자동차뿐만 아니라 태양전지 패널과 배터리의 개발 · 제조를 하는 테슬라는 태양광 축전기술이나 낙도의 전력화에 기여하고 있습니다. 그런 테슬라가 배터리 제조부문의 채용 구인을 내는 동시에 배터리를 자사의 공장에서 제조하는 과정을 동영상으로 공개하고 있습니다.

Making Batteries - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=zB8_HbrxUi8

리튬이온 배터리의 양극, 절연체의 세퍼레이터, 음극을 하나로 처리한 시트가 원주에 감겨 배터리의 내용물이 만들어집니다. 배터리의 내용물은 발빠르게 옮겨져 로봇에 의해 정리됩니다.

다른 곳에서 생산되고 있는 것은 배터리셀의 용기로, 매우 정갈하고 밀집된 라인 위로 배터리셀의 용기가 흘러갑니다. 용기에 내용물을 넣고 전극단자로 밀봉을 합니다.

대량으로 운반된 배터리셀은 거대한 창고같은 장소에 도착했습니다. 여러 배터리셀 세트가 제어기판과 결합됩니다. 이렇게 완성된 테슬라의 배터리가 가득 쌓여갑니다.

테슬라의 엘론 머스크 CEO는 2020년 9월 비용을 반감시킨 새로운 배터리셀을 자체제조할 것이라고 발표했고, 이번 동영상은 새로운 배터리의 자체 제조를 나타낸 것으로 되어 있습니다. 자동차 관련 뉴스를 다루는 미디어 autoevolution은 이번 동영상은 테슬라가 100만 마일(약 160만 km) 주행 가능한 초장수명 배터리 '밀리언 마일 배터리'의 생산준비를 갖추고 있음을 시사한다고 지적합니다.

퓨즈는 끊어짐으로써 전기사고나 화재를 예방하는 역할을 하고 있습니다. 다행히 퓨즈는 저렴하고 쉽게 대체할 수 있습니다. 주택과 자동차의 전기가 끊어지면 퓨즈를 눈으로 확인할 수 있는데, 퓨즈에 검은 그을음이나 단선이 없는지 확인합니다. 육안으로 결함이 발견되지 않을 때에는 검전테스터 및 멀티테스터를 사용하여 퓨즈가 제대로 작동하고 있는지 확인할 수 있습니다.

지하실이나 차고에 위치한 분전반을 찾아보면 문이 달린 금속상자 내부에 많은 유리재질의 퓨즈가 소켓에 끼워져 있습니다.

분전반이 보이지 않는다면 옥외의 전기계량기를 찾아 거기로부터 연장 배선을 더듬어 갑니다. 분전반(퓨즈박스나 차단기)은 일반적으로 주택에 전기를 끌어들이는 곳 주변에 설치되어 있습니다.
오래된 집의 경우에는 전구를 닮은 유리재질의 퓨즈가 분전반에 설치되어 있으며, 퓨즈가 끊어지면 교체해야 합니다. 새집에는 퓨즈가 아닌 차단기가 설치되어 있습니다. 이 경우는 레버를 조작하여 재설정하면 전기가 흐릅니다.

주전원을 차단하고 절단된 회선에 연결되어 있는 전기제품의 콘센트를 제거합니다. 분전반의 상단에 있는 큰 레버를 조작하여 'On'에서 'Off'로 전환합니다. 주전원을 차단할 뿐만 아니라 퓨즈가 끊어졌을 때 작동하지 않는 전기제품의 콘센트도 뽑아 둡시다. 이렇게 하면 주전원을 켰을 때 새로 설치된 퓨즈가 과부하될 염려가 없습니다. 주전원 스위치가 없는 경우에는 분전반에 퓨즈블록이 설치되어 있을 것입니다. 그것을 꺼내 'ON' 'OFF' 표시가 있는지 확인합니다. 표시가 있으면 'OFF'면을 위로 향하게 하여 블록을 삽입합니다. 표시가 없으면 퓨즈 교체가 끝날 때까지 블록을 분리한 상태로 둡니다.

퓨즈의 속을 확인하여 유리의 탄화나 단선을 확인합니다. 분전반의 문 뒤에 회로도와 표시가 있는지 확인합시다. 운이 좋다면 회로도로 전기가 끊긴 방을 찾아내어 해당 퓨즈를 파악할 수 있습니다. 해당 퓨즈를 시계 반대방향으로 돌려 소켓에서 분리합니다. 퓨즈에 유리의 탄화나 단선이 없는지 확인합시다.

분전반에 회로도 및 표시가 없는 경우에는 퓨즈를 하나씩 확인하여 유리가 타거나 단선된 퓨즈를 찾습니다. 끊어진 퓨즈를 찾아내면 해당 방을 적어둡시다. 퓨즈가 끊어질 때마다 이렇게 기록해두면 최종적으로 모든 퓨즈의 해당 위치를 알 수 있게 됩니다.

끊어진 퓨즈를 동일한 암페어의 퓨즈로 교체합니다. 퓨즈에 기록되어 있는 암페어를 나타내는 숫자를 찾아보세요. 그 값을 적거나 끊어진 퓨즈를 가지고 홈센터 등으로 가서 똑같은 퓨즈를 구입합시다. 새 퓨즈를 제자리에 끼우고 시계방향으로 돌려 끼웁니다.

퓨즈의 암페어는 나라에 따라 다르지만 15, 20, 30암페어가 일반적입니다. 끊어진 퓨즈보다 암페어 수가 높은 퓨즈를 사용해서는 안됩니다. 부적절한 퓨즈를 사용하면 전기사고나 화재를 일으킬 수 있습니다.

주전원을 넣어 교체한 퓨즈를 확인합니다. 새 퓨즈를 설치한 후 해당 회로의 전기제품의 스위치가 모두 꺼져 있는지를 다시 확인합니다. 준비가 되었다면 주전원을 켜거나 퓨즈블록을 삽입하여 주택에 대한 전기공급을 재개합니다. 해당 방의 불을 켜거나 전기제품의 콘센트를 넣어 회로를 확인합시다.

퓨즈를 교체해도 전기제품이 작동하지 않을 때에는 주전원을 차단하고 퓨즈가 제대로 설치되어 있는지 확인합시다. 교환한 직후에 퓨즈가 끊어진다면 사용전력이 회로의 한계를 초과했을 가능성이 있습니다. 사용하는 전기제품을 줄이거나 불필요한 전기제품의 콘센트를 빼 봅시다. 문제가 해결되지 않는다면 경험이 풍부한 전기공사 전문업체에 의뢰합시다. 전기배선에 문제가 있을지도 모릅니다.

출처 참조 번역
· Wikipedia
· 住宅の分電盤を確認する
https://www.wikihow.jp/%E3%83%92%E3%83%A5%E3%83%BC%E3%82%BA%E3%82%92%E3%83%81%E3%82%A7%E3%83%83%E3%82%AF%E3%81%99%E3%82%8B?amp=1

콘덴서(capacitor)란?

콘덴서는 전기를 축적하거나 방출하는 전자부품입니다. 직류를 통과시키고 절연하는 작용도 있습니다. 전자회로에서는 반드시 사용한다고 해도 좋을 만큼 전자기기에 필수적인 부품입니다.

저항기(resistor)란?

저항기는 전기가 흐르기 어렵게 하는 전자부품입니다. 흐르는 전기의 양을 제한하거나 조정함으로써 전자회로를 적정하게 작동시키는 역할을 하는 중요한 부품입니다.

코일(Inductor)이란?

코일은 전기와 자기가 서로 상호작용하여 다양한 작용을 합니다. 축전기, 저항기와 함께 전자회로의 기본이 되는 부품입니다. 인덕터라고도 합니다.

다이오드(diode)란?

다이오드는 전기의 흐름을 일방통행으로 만드는 부품입니다. 트랜지스터와 IC 등과 같은 것으로, 능동부품이라고 합니다. 반도체를 이용한 기본적인 부품입니다.

트랜지스터(transistor)란?

트랜지스터는 전기의 흐름을 제어하는 ​​부품입니다. 반도체로 만들어진 능동부품의 대표로 불릴 만큼 매우 중요한 부품으로, 여러 가지 전자회로에서 활약하고 있습니다.

스위치(Switch)란?

스위치는 전기 통로의 ON / OFF 및 전환을 하는 부품입니다. 기계적인 동작으로 전기를 제어하는 기구부품의 일종으로, 사람이 조작하는 손잡이나 버튼이 붙어 있습니다.

전기 · 전자회로에 사용되는 소자는 수동소자와 능동소자로 나눌 수 있습니다. 수동소자는 저항(R), 코일(L), 커패시터(C) 등이고 능동소자는 트랜지스터(Tr, FET), 집적회로(IC), 다이오드(D) 등입니다.

일반적으로 전기회로는 수동소자만으로 구성되는 회로이고 전자회로는 수동소자에 더해 능동소자를 사용하여 구성되는 회로를 가리킵니다.

수동소자와 능동소자

수동소자는 전력을 소비하거나 전류와 전압을 축적 또는 방출하는 소자이고, 능동소자는 전기신호를 증폭하거나 발신하는 반도체소자를 가리킵니다.

• 전기회로
수동소자(저항, 코일, 콘덴서)를 사용하여 구성된 회로.
• 전자회로
수동소자(저항, 코일, 콘덴서)와 능동소자(트랜지스터, IC, 다이오드 등)를 사용하여 구성된 회로.

이러한 능동소자를 사용하지 않고 회로가 구성되어 있으면 전기회로, 능동소자가 사용되어 회로가 구성되어 있으면 전자회로입니다.

수동소자의 기능과 역할

전기회로와 전자회로에 사용되는 수동소자(저항, 코일, 콘덴서)의 각각의 소자의 기능과 역할은 다음과 같습니다.

◆ 저항
저항은 직류회로와 교류회로 모두에서 전류의 흐름을 방해하려고 하는 성질이 있으므로 부하에 흐르는 전류와 부하에 가해지는 전압을 최적이 되도록 조정할 때 사용합니다.

그러나 저항은 전력을 소비하는 성질이 있으므로 막무가내로 사용하면 소비전력이 커집니다.
※ 전열기의 전열선(저항)은 전기를 열에너지로 바꾸기 위해 사용하고 있습니다.

기호 : R
단위 : Ω (옴)

◆ 코일
코일은 모터와 통신장비를 수신부 등에 사용되고 있습니다. 코일에 직류를 흘리면 전자석이 되어 전류가 잘 흐르지만, 교류를 흘리면 유도기전력의 작용에 의해 주파수가 높아질수록 유도 리액턴스가 증가하고 전류가 흐르기 어려워지는 특성이 있습니다. 또한 교류를 흘리면 전류는 전압보다 위상이 90° 지연(지연위상)됩니다.

기호 : L
단위 : H (헨리)
유도 리액턴스 : XL = ωL = 2πfL
※ ω(오메가)는 각속도(각주파수)입니다.

◆ 콘덴서
콘덴서에 직류를 흘리면 전기를 축적하거나(충전) 축적된 전기를 방출(방전)시키기 때문에, 이 충방전 특성을 연구하고 이용합니다. 또한 노이즈를 제거할 때 사용됩니다.
※ 커패시터에 축적된 전기량(전하)은 q = CV [C]로 표시됩니다. C = 정전용량, V = 전압.

교류를 흘린 경우에는 아무것도 하지 않아도 충전과 방전을 반복하게 되는데, 일반적으로 전류가 흐르지만 전류는 전압보다 위상이 90° 진행(진행위상)하게 됩니다. 이 성질을 이용하여 코일 성분에 의해 위상이 어긋났을 때 생긴 역률의 악화를 개선하기 위해 사용됩니다. 또한, 교류를 흘리면 용량 리액턴스가 발생합니다.

기호 : C
단위 : F (패럿)
용량 리액턴스 : X C = 1 / (ωC) = 1 / (2πfC)

능동소자의 기능과 역할

전자회로에 사용되는 능동소자(트랜지스터, IC, 다이오드) 각각의 기능과 역할은 다음과 같습니다.

◆ 트랜지스터
트랜지스터의 종류에는 전류에서 전류의 흐름을 제어하는 ​​바이폴라 트랜지스터와 전압에서 전류의 흐름을 제어하는 ​​전계효과 트랜지스터(FET)가 있습니다.

바이폴라 트랜지스터는 p형 반도체와 n형 반도체를 npn형 또는 pnp형이 되도록 접합하여 이미터, 컬렉터, 베이스라는 3개의 전극을 갖게 한 반도체소자입니다.

전계효과 트랜지스터는 접합형(n채널 접합형, p채널 접합형)과 MOS형(n채널 MOS형, p채널 MOS형)으로 나뉘며 소스, 드레인, 게이트라는 3개의 전극을 갖게 한 반도체소자입니다.

두 트랜지스터는 주로 작은 전기신호를 증폭시켜 큰 전기신호로 변환할 때 사용하지만, 스위치로서의 기능을 갖게 할 수도 있습니다.

◆ IC
IC(집적회로)는 매우 작은 기반에 트랜지스터, 다이오드, 저항, 콘덴서 등의 전자회로를 배치한 것으로, 전기를 사용하여 움직이고 있는 가전제품을 소형 · 고성능화하는 데 기여하고 있습니다.

이전에는 소자 수에 따라 SSI, MSI, LSI, VLSI, ULSI로 구분되어 있었지만 최근에는 그다지 사용하지 않습니다.

◆ 다이오드
다이오드는 p형 반도체와 n형 반도체를 접합하여 만들어져, p형 반도체 측에 애노드(anode), n형 반도체 측에 캐소드(cathode)라는 두 전극을 갖게 한 반도체소자입니다.

다이오드는 애노드에서 캐소드 방향으로만 전류가 흐르는 성질(정류 작용)이 있기 때문에, 전류를 한 방향으로 흘리는 목적으로 사용합니다. 교류전기를 다이오드에 통과시키면 마이너스 전기를 제거하여 직류전기로 변환할 수 있어서 스마트폰의 AC어댑터 등에 이용되고 있습니다.

그 외에도 전기에너지를 빛에너지로 변환하는 발광다이오드(LED), 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 태양전지도 다이오드입니다.

화재와 감전을 방지

감전을 방지하는 방법은 접지선을 연결하여 전기가 흐르는 우회경로를 만드는 것입니다.

전기는 전압이 높은 곳에서 낮은 곳(대지)을 향해 흐르는 성질이 있고 인체와 접지선을 비교하면 접지선이 전기가 흐르기 쉬우므로 만일 누전이 발생하여도 인체에 흐를 걱정은 없습니다.

지상을 0V로 취급하기 때문에, 대지 전압이 큰 경우(100V보다 200V) 위험도가 증가하므로 주의하십시오.

전기가 흐르는 조건

방의 벽면에 설치된 콘센트나 전자제품 매장에서 판매하고 있는 건전지는 그 상태에서는 전기가 흐르지 않습니다만, 콘센트에 플러그를 꽂거나 배터리 상자에 배터리를 장착하면 전기설비는 움직이기 시작합니다.

그대로 전기가 흐르지 않는 이유는 공기가 절연체 (전기가 흐르지 않는 것, 또는 흐르기 어려운 것)의 역할을 하고 있기 때문입니다. 전기는 전원을 포함하여 폐쇄회로가 되어 있지 않으면 흐르지 않는 성질이 있습니다.

전기는 공기라는 절연체가 절연파괴했을 경우에는 개방회로라도 흐릅니다. 번개가 떨어졌을 때를 이미지하면 이해하기 쉬운데, 번개(전기)는 공기가 절연파괴한 결과 흐르기 쉬운 곳을 통해서 지상에 도달하고 있습니다.

예를 들어, 콩전구를 끼워 소켓에서 나오는 2개의 전선의 끝을 건전지(전원)에 연결하면 폐쇄회로가 되어 전기가 흐르고, 전선의 끝을 건전지에서 떼어내면 개방회로가 되기 때문에 전기가 흐르지 않습니다. 회로의 어딘가에서 전기의 흐름이 멈추면 회로에 전기가 흐르지 않는 것입니다.

왜 폐쇄회로를 구성하면 콩전구가 점등하는가를 설명한다면, 전위가 높은 쪽(양극)에서 전위가 낮은 쪽(음극)을 향해 전류가 흐르기 때문입니다. 전자의 이동방향은 전류가 흐르는 방향과는 반대로 음극에서 양극으로의 방향으로 이동합니다.

콩전구 등의 부하를 연결하지 않아도 전원만으로 폐쇄회로를 구성하면 전류가 흐릅니다.콩전구 등의 부하는 약간의 저항값을 가지고 있기 때문에 회로에 흐르는 전류값은 억제되어 있지만, 부하를 통하지 않고 폐쇄회로가 구성되면 한없이 제로에 가까운 도선의 저항값만큼 전류가 흐르는데, 이 상태를 단락(쇼트)이라고 합니다. 회로가 단락되면 큰 전류가 흐르고 도선이 뜨거워져 발화하면 화재가 될 수 있기 때문에 매우 위험합니다.

콘센트의 플러그에서 발화하는 현상

콘센트에 전기제품의 플러그를 꽂아 방치해두면 흐를리가 없던 전기가 드물게 흐를 수 있습니다. 플러그의 칼날과 칼날 사이에 먼지가 모여, 이 상태에서는 먼지가 건조되어 있어서 전기가 흐르지 않습니다만, 습도가 높은 계절이 되면 먼지가 습기를 빨아버립니다. 불순물을 포함한 물은 전기가 통과하기 때문에 플러그의 칼날과 칼날 사이에 전기가 흐르게 됩니다. 플러그의 칼날과 칼날 사이에 먼지가 쌓여 발화하는 현상을 트래킹현상이라고 합니다. 이 상태가 계속되고 부하에 전기가 흐르지 않는 이른바 쇼트된 상태이므로, 결국 큰 전류가 흘러 화재로 이어집니다.

보통은 회로가 단락되면 분전반에 붙어있는 누전차단기가 작동하여 전기공급을 중지하지만, 중지하기 전에 화재가 발생할 수도 있으므로 주의해야 합니다.

트래킹현상을 방지하는 방법으로는 플러그에 절연성이 있는 소재를 설치하면 되지만 완전히 막을 수 없는 것이 현실입니다.

인간이 감전되는 과정

회로에 전위차가 있으면 전류가 흐르는 성질을 이해하면 인간이 감전되는 과정을 알게 되어 미연에 감전을 방지할 수 있습니다.

예를 들어, 인간이 공중에서 1개의 전선에 닿아있는 것 뿐이라면 전위차가 없으므로 전류가 흐르지 않지만, 땅에 닿아버리면 전위차가 생기므로 전류가 흐릅니다. 인간은 저항값이 제로에 가까운 전기가 흐르기 쉬운 도체는 아니지만 약 4000Ω의 저항값을 가지고 있어서 전기가 통과합니다.

전기는 저항값이 낮은 쪽으로 흐르는 성질이 있는데, 접지(0Ω 정도)와 인간(4000Ω 정도)의 저항값을 비교하면 접지선이 더 저항이 낮기 때문에 누전된 전기는 접지선을 통해서 지상으로 흘러가기 때문에 인간은 감전없이 살아갈 수 있습니다. 인간은 물에 젖으면 저항값이 낮아져 전기가 흐르기 쉬워지므로 조심합시다.

예를 들어, 다음과 같은 상황에서 감전될 경우 인체에 흐르는 전류를 계산하면...

전압 : 100V
인간의 저항 : 4000Ω
전압 ÷ 저항 = 100 ÷ 4000 = 25mA

인간은 50mA 정도의 전류가 흐르면 죽음으로 이어질 수 있다고 알려져 있으므로, 만일을 위해 접지선을 콘센트의 접지단자에 연결하여 두는 것이 좋을 것입니다.

교류와 직류 중 어느 쪽이 위험한지 전기법령을 살펴보면, 선간 전압이 교류 30V 이하 직류 45V 이하에 위험이 적은 전압으로 간주하기 때문에 직류가 약간 안전한 것처럼 보이지만 어느 쪽도 그다지 다르지 않을 것입니다.

'이온'을 이해하기 위해서는 '물'이라는 것에 대한 이해가 필요합니다.

물의 구성

물은 아시다시피 H2O입니다. 우선 이것을 분해해 갑시다. 수소원자는 양성자 1개, 전자 1개로 구성되어 있습니다. 그러나 전자각의 가장 안쪽의 K각은 전자가 두 개 들어갈 공간이 마련되어 있습니다. 이 K각에 하나의 여유가 있기 때문에
이 상태로는 불안정한 상태입니다.

거기에 또 다른 수소원자가 나타나 전자를 공유함으로써 K각이 메워져 안정할 수 있게 됩니다. 이 전자각을 공유함으로써 결합하는 것을
'공유결합'이라고 합니다. 따라서 일반적으로 수소는 단체(単体)에서는 분자로 존재합니다.

산소원자

산소는 전자각의 최외각에 두 개의 여유가 있습니다. 수소처럼 그대로는 안정될 수 없기 때문에 원자가 2개 결합하여 산소분자 O2, 3개가 결합하여 오존 O3 등 이산화탄소 등 다양한 원소와 결합함으로써 안정됩니다. 이 산소원자에 수소원자가 붙으면 서로의 전자를 공유함으로써 안정되고 H2O = 물분자가 됩니다.

물분자를 보면, 수소는 산소에게 전자를 빼앗긴 양상이고 산소는 수소로부터 전자를 받고 있습니다. 전자가 산소에 치우쳐 있으므로 수소는 전자의 영향이 없어져 (+)로 대전하고 산소는 전자를 2개 얻은 결과 (-)로 대전합니다

따라서 물분자는 분자 자체에 극성을 가집니다. 이것을 '극성'이라고 합니다. 이어 물분자가 2개 있는 상황을 이미지해 봅니다. 물분자에 (+)와 (-)의 극성이 있다는 것은 다른 극성끼리는 끌어당김이 발생합니다. 수소 부분은 산소 부분에, 산소 부분은 수소 부분에 결합합니다. 이와 같이
수소를 통해 결합하는 것을 '수소결합'이라고 합니다. 결합이라고 부르기에는 그 힘이 그리 강하지 않기 때문에 '분자간력'이라고도 합니다.

클러스터

물분자의 뭉침을 '클러스터'라고 합니다. 수소결합의 힘이 약하기 때문에 물속에서는 물분자끼리 붙고 떨어지기를 반복하므로 이 클러스터의 크기가 끊임없이 변화합니다.

여담입니다만, 얼음이 물에 뜨는 이유는 이 클러스터가 관련되어 있습니다. 물이 액체인 경우에는 물분자가 돌아다니고 있으므로 클러스터가 변화하고, 서로의 간극을 채우기 때문에 밀도가 높습니다.

한편, 물을 식어가면 물분자의 움직임이 둔해지고,
클러스터에 틈이 만들어진 채로 얼어붙습니다.
틈새가 많이 있어서 밀도가 낮아지고 부피는 커집니다. 그 때문에 밀도가 낮은 얼음은 밀도가 높은 물에 뜨고 부피도 커지는 것입니다.

물은 전기가 잘 통한다

물은 전기가 잘 통합니다. 그러나 순수한 물은 전기를 통과시키지 않습니다. 전기는 자유전자의 이동인데, 순수한 물은 수소와 산소의 공유결합이 강해서 전자가 결합의 속박에서 벗어날 수 없습니다. 전자가 움직일 수 없기 때문에 전기가 통할 수 없습니다.

출처 참조 번역
· Wikipedia
· 水と電気の関係。純水は電気を通さない？
https://alllearnhobby.com/archives/232.html

대발명가 에디슨이 1879년 10월 21일에 처음으로 실용적인 백열전구 개발에 성공했을 당시, 백열전구의 필라멘트의 재료로 사용한 것은 금속이 아닌 '무명'이었습니다. '무명'은 전기를 통과시키지 않는데, 탄화한 목화를 사용했습니다.

이후 에디슨은 목화 대신 일본의 대나무를 탄화시켜 필라멘트로 사용하여 백열등의 점등시간을 획기적으로 연장하는데 성공하였고 점차 상품화해 갔습니다.

에디슨의 전구 이야기를 할 때면 "숯은 전기가 통하는 것입니까?"라는 질문을 많은 분이 합니다. 결론부터 말하면 전기가 통하는 숯과 통하지 않는 숯이 있습니다. 전기가 통하는 숯에는 유명한 '비장탄'이 있지만, 일반적인 숯은 전기를 통과시키지 않습니다. 고온에서 구워진 비장탄과 일반적인 숯은 탄소의 결정구조에 차이가 있다고 합니다. 그 외 탄소로 되어 있는 연필의 심도 전기가 통하는데, 이것은 흑연(납이 아닌 탄소로 구성되어 있다)이 배합되어 있기 때문입니다.

참고로 탄소로 구성된 다이아몬드는 전기를 통과시키지 않습니다.

출처 참조 번역
· Wikipedia
· 炭は電気を通す？
https://www.bandai-museum.jp/cms/pickup/edison/20181024.html

'물건이 탄다'는 것은 가연성 물질이 산소와 반응하여 발생하는 격렬한 산화반응을 말합니다. 유기분자가 불탈 때 '예외없이 열을 방출한다'는 사실에 대해 브랜다이스대학교의 Klaus Schmidt-Rohr 씨가 설명합니다.

Why Combustions Are Always Exothermic, Yielding About 418 kJ per Mole of O2 | Journal of Chemical Education
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jchemed.5b00333

불이 사람의 사회적 진화에 급격한 영향을 주었다는 학설이 제기될 만큼 불은 인류에 있어 중요한 의미를 가지고 있습니다. 누구에게나 '불이 열을 방출한다'는 것은 상식이지만 '왜 불이 열을 방출하는 것인가?'에 대해서는 교과서는 커녕 이를 기술한 문헌에도 설명이 없다고 Schmidt-Rohr 씨는 지적합니다.

불이 발생시키는 열을 알 수 있는 방법 중 하나는 '생성열로 연소반응의 에너지를 산출한다'는 것입니다. 그러나 생성열은 실제 연소반응에서 측정된 연소열로부터 산출되는 수치이기 때문에 Schmidt-Rohr 씨는 "생성열로 연소반응의 에너지를 산출하는 시도는 순환논법에 해당하며, 아무런 설명도 되지 않습니다"라고 말합니다.

Schmidt-Rohr 씨에 따르면, 불이 열을 방출하는 이유는 '산소분자(O2)내의 이중결합이 비정상적일 정도로 결합강도가 약하기 때문'이라고 합니다. O2내의 이중결합의 결합해리 에너지는 498kJ/mol인 반면 단일결합인 H-H결합의 결합해리 에너지는 436kJ/mol, C-H결합은 410kJ/mol, C-C결합은 350kJ/mol인데, O2내의 이중결합임에도 불구하고 결합해리 에너지가 단일결합보다 조금 웃도는 정도입니다. Schmidt-Rohr 씨는 500종 이상의 유기화합물의 연소를 비교하여 연소에 사용되는 유기화합물에 관계없이 O2가 1mol 반응할 때마다 약 418kJ의 열량이 방출되는 것으로 산정했습니다.

이와 같이, 연료 등의 유기물의 분자구조를 몰라도 원소 조성만 알면 그 연소열을 추정할 수 있어서 Schmidt-Rohr 씨는 "탄화수소 또는 에탄올, 수소, 포도당 등의 연료는 '에너지가 풍부하다'고 알려져 있지만, 실제로는 산소분자야말로 에너지가 풍부한 분자라고 말할 수 있습니다"라고 주장합니다.

Schmidt-Rohr 씨는 '왜 불은 뜨거운가?'라는 질문에 "O2의 이중결합이 다른 이중결합에 비해 비정상적으로 약하기 때문에 더 강한 결합을 가진 물(H2O)과 이산화탄소(CO2) 등의 분자가 연소에 의해 발생하면 이런 분자의 포텐셜 에너지가 감소합니다. 이것이 열방출과 기체분자의 열운동의 증가, 즉 불의 뜨거움에 기여하게 됩니다"라고 설명합니다.

전기적 장비는 기전력을 발생시키기 때문에 최종제품에 통합시 해당 전기회로를 제대로 생각하는 것이 중요합니다. 따라서 전기회로에 대한 지식을 이해하는 것이 좋습니다.

전기회로 관련 지식에는 '개방회로'와 '폐쇄회로'라고 불리는 것이 있습니다.

개방회로란?

개방회로는 전기회로에서 회로가 닫혀있지 않은 상태를 말합니다. 가장 알기 쉬운 개방회로의 예로는 전지와 저항 등에 직렬하고 스위치가 회로에 포함되어 있을 때, 회로의 스위치가 열려있는 상태가 대표적입니다.

그리고 이처럼 전기회로가 열려있는 상태에서 통전되지 않은 상태의 전지전압을 개방회로전압(OCV)이라고 합니다.

기본적으로 전지에 전류가 흐를 때는 옴의 법칙이 작용하기 때문에 개방회로전압에서 전류값 A × 저항값 Ω를 뺀 E = E0-IR이 작동전압이 될 것입니다.

폐쇄회로란? 개방회로와의 차이점

폐쇄회로란 전기회로에서 전기회로가 닫혀있는 상태를 말합니다. 전지, 저항, 스위치의 직렬회로로 보면 이번에는 스위치가 닫혀 있고, 일주하는 상태가 됩니다. 전기회로가 연속되어 있어서 전지에서 방전됩니다. 따라서 옴의 법칙의 IR드롭 분의 전압이 강하됩니다.

Closed, Open, and Short Circuits - dummies
https://images.app.goo.gl/AhgpcxpT6f9hoFd99

이 전압이 개방회로의 전압보다 저하한 후의 전압을 작동전압 또는 폐쇄회로전압(CCV)이라고 합니다.

이러한 용어를 이해하고 적절하게 전기회로에 대해 배워갑시다.

출처 참조 번역
· Wikipedia

일반적으로 전기는 절연된 전로를 거쳐 부하로 흐릅니다. 그러나 절연 저하 등의 원인으로 흐를 예정이 아닌 곳에 전기가 흐르는 위험한 상태가 일어날 수 있습니다. 그런 위험한 상태에는 단락, 지락, 누전 등이 있습니다.

단락 및 지락이 발생한 경우 큰 전류가 흐릅니다.
최악의 경우는 배선이 불타고 기계나 기구가 움직이지 않습니다. 누전의 경우 전기가 새고 있습니다만, 지락에 비해 전류가 작으므로 장비 및 기구는 계속 작동됩니다. 그러나 누전은 찾기가 힘들 수 있습니다.

◆ 전로와 절연
전로 → 전기가 통하는 길
절연 → 고무 및 유리 등을 사용하여 전기를 차단

◆ 부하
부하는 조명기구, 히터, 모터 등 전기를 이용하여 작동하는 것

단락이란?

단락은 '쇼트'라고도 불립니다. 장비 고장 또는 부적절한 처리로 인한 전기회로의 배선 간 부하가 매우 낮거나 부하가 전혀 없는 상태에서 접촉했을 때의 현상을 말합니다.

부하가 없는 상태에서 단락해 버리면 매우 큰 전류가 흐릅니다. 이것을 '단락 전류'라고 합니다.
단락 전류가 흐르면 전선이 녹아버리거나 절연피복이 소실하는 등 큰 사고를 일으킬 위험이 있습니다. 또한 단락과 동시에 격렬한 스파크가 발생하여 전기 화상을 일으킬 수도 있습니다.

이 단락은 제어회로에 사용되는 낮은 전압의 DC24V에도 부하가 없는 상태에서 배선 간의 접촉한 경우 발생합니다. 100V는 200V에 비하면 작지만 스파크가 발생합니다.

단락의 요인은 절연체 열화나 손상 등과 실수로 드라이버의 끝부분을 단자 사이에 접촉시켜 일어나는 것을 들 수 있습니다.

단락을 일으키지 않기 위해서는 전원을 끄고 안전하게 작업하는 것이 중요합니다. 아무래도 전원이 꺼지지 않는다면 절연시트 등을 이용하여 활선 부분을 분리합시다.

지락과 누전

전기는 전선이나 전자기기의 절연이 손상되거나 열화에 의해 절연이 약해지면, 회로 이외의 절연이 약해진 부분에서 선간 및 대지로 흘러갑니다. 이 현상을 누전이라고 하며 누설전류라고 부릅니다.

누설전류는 새로운 전선이나 전기시설에도 매우 작은 값이지만 흐르고 있습니다. 누설전류가 커지면 감전의 우려가 있으므로, 누설전류는 줄여야 합니다.

◆ 누전
전로 이외에 흐르는 전류.

지락과 누전은 엄밀하게는 다르지만, 일반적으로 누전과 같은 의미로 다루어지는 경우가 많습니다.
지락은 전로와 대지가 이어져 큰 누설전류가 흐르는 위험한 상태입니다. 누설전류가 작고 가벼운 상태를 '누전', 크고 위험한 상태를 '지락'으로 구별하면 이해하기 쉽습니다.

사람이 누전하는 전자기기의 금속케이스에 접촉하면 신체를 통해 누설전류가 흘러 감전됩니다. 감전방지 대책으로서 전자기기의 금속케이스 등에는 접지선을 설치하거나 누전차단기를 설치하면 누전시 감전에 의한 재해를 줄일 수 있습니다.

정리

누전 → 전로 이외에 전기가 흐르는 것.
지락 → 대지에 흐르는 것. 누설전류가 큰 상태.
단락 → 부하가 없는 상태에서 전로 간에 접촉

이러한 현상은 모두 위험한 상태입니다. 발생했을 때의 피해를 막기 위해서라도 누전차단기와 배선용 차단기, 퓨즈 사용, 접지의 설치, 절연저항측정 등의 일상점검을 실시합시다.

출처 참조 번역
· Wikipedia
· 短絡（ショート）・地絡・漏電は危険！違いを電気屋が簡単に説明！
https://shimatake-web.com/short-ground-fault-leakage/

'젖은 손으로 만지지 마십시오.'

때때로 전기제품에서 볼 수 있는 주의문구이지만 이것은 물론 감전방지를 위한 것입니다. 그러고 보니 사람이 있는 욕조로 콘센트에 연결한 상태의 전기제품(헤어드라이어 등)을 내던져 살해하는 등의 장면을 해외드라마에서 볼 수 있어서, 전기는 물을 통과한다는 것이 일반적인 인식입니다.

한편, 과학수업에서 하는 물의 전기분해 실험에서는 물에 수산화나트륨 NaOH를 녹여 전기분해를 하는 것이 널리 행해지고 있지만, 그 이유로 '물에 전류가 흐르기 쉬워지기 때문'이라고 설명되고 있습니다.

 
조건이나 정도에 따라 다르지만, 그 이전에 우리가 일반적으로 '물'이라고 부르고 있는 것과 과학실험에서 사용하는 '물'은 반드시 ​​같은 것은 아니라는 것에 주의해야 합니다.

우리들 주변에 있는 보통의 물에는 여러가지 물질이 녹아 있습니다. 대기 중의 이산화탄소는 물론, 강이나 우물에서 취수된 시점에 이미 칼슘이 녹아 있습니다. 그 일부는 이온으로 존재하며 물속을 이동하기 때문에 '물'은 전기가 통하는 것입니다.

즉, '물'에 전기가 통하는 이유는 물속의 불순물이 원인이라는 것입니다. 우리의 주변에는 일반적으로 불순물이 없는 물은 존재하지 않기 때문에 사실상 상수는 전기가 통한다고 생각해야 합니다.

한편 과학실험에 사용하는 물은 불순물을 포함하지 않는 물, 즉 순수이므로 전기가 통하지 않습니다.

사실 순수에도 어느 정도의 불순물이 남아 있습니다. 따라서 어느 정도의 전류가 흐르게 됩니다. 이 성질을 이용하여 순수가 얼마나 순수한 것인지의 지표로 전류의 흐름 용이성이 이용되고 있습니다.

출처 참조 번역
· Wikipedia
· 水は電気を通すのか（江頭教授）
http://blog.ac.eng.teu.ac.jp/blog/2017/09/post-3102.html

밤에도 밝은 인간의 생활. 문명 이후 인간은 다양한 기술을 이용하여 삶에 빛을 가져왔습니다.
수천 년 동안 사람들은 등불의 불에 의존했고 원료로 나무 · 기름 · 가스 순으로 변천해왔습니다만, 그 기본원리는 동일합니다.

그러나 전기라는 새로운 에너지가 발견되면서 백열등 · 형광등 · LED 등 새로운 원리의 등불이 발명되었습니다. 이 전등들은 모두 전기를 사용하고 있다는 점에서 동일하지만 원리는 모두 제각각입니다.

빛이란 전자파이며 에너지의 일종입니다. 불이 화학에너지를 사용하여 발광하는 것처럼, 전등은 전기(전자)에너지를 빛으로 변환합니다.

백열전구의 원리

백열전구는 조셉 윌슨 스완이라는 영국인에 의해 1860년에 발명되었습니다. 전구라고 하면 에디슨이 유명하지만, 발명 자체는 스완 씨가 먼저입니다. 에디슨은 전구의 핵이라고도 할 수 있는 발광하는 필라멘트라는 부품에 대나무를 사용하여 처음으로 장시간 사용할 수 있는 수준의 전구를 발명하였고 대중화에 성공했습니다. 덧붙여서, 스완 씨와 에디슨은 공동으로 회사를 설립했습니다.

백열전구는 전기를 이용한 등불이면서 전등의 시조라고도 할 수 있는 존재로, 지금도 계속 사용하고 있는데, 그 원리는 비교적 간단합니다. 한마디로 말한다면, 전자가 필라멘트 속을 고속으로 움직였을 때 발생하는 마찰(전기저항)에 의한 발광입니다.

마찰로 열이 발생한다는 것은 감각적으로 이해가 될 것입니다. 열이란 원자의 진동에 의해 발생하고 있는데, 이 때 대부분의 원자는 열과 동시에 전자파(빛)을 발생시키고 있습니다. 이 현상을 열복사라고 합니다.

그럼 왜 마찰이 발생하는 것일까요?

전기를 흐른다는 것은 전자가 흐른다는 것과 같은 의미입니다. 그러나 방향은 반대. 이것은 전류의 흐름 방향을 정의할 때 전자가 마이너스의 성질을 가지고 있다는 것이 알려져 있지 않았던 것이 원인입니다.

전자가 흐르는 것은 필라멘트 및 도선 중입니다. 필라멘트 및 도선은 보기에도 고체입니다. 무언가가 흐를 것처럼 보이지 않습니다. 그런데 전자는 매우 작아서 작은 벌레가 방충망을 통과하듯 필라멘트의 작은 틈새를 누비며 이동합니다. 하지만 그것이 너무 좁기 때문에 전자가 필라멘트의 원자에 부딪쳐 마찰(원자의 진동)이라는 형태로 발열과 발광을 하게 됩니다. 엄밀히 말하면, 이것은 '마찰'이 아닌 '저항'이라는 것으로, 저항 현상을 이미지하는 데 도움이 될 것입니다.

전기 스토브나 오븐 토스터 등에 전기를 흘리면 열을 발생함과 동시에 빛나는 것은 그 때문입니다. 발생한 빛(적외선)이 다른 물체(원자)에 닿으면 원자가 진동하여 열을 발생되기 때문에 물체가 따뜻해집니다. 열화상 카메라 등은 열과 함께 발생하는 빛을 사용하여 열원을 영상화하고 있습니다.

전자는 것은 모든 물체에 포함되어 있는데, 물체에 따라 전자와의 마찰(저항)의 정도나 발생하는 열과 빛의 비율이 다릅니다. 전구의 필라멘트에 사용되는 것은 꽤 빛의 비율이 많은 물질이지만, 물체에 따라서는 열 비율이 너무 많아서 발화해버릴 수도 있습니다. 전구에서 가장 중요한 것은 이 필라멘트 물질의 선정이었습니다. 필라멘트는 구리 → 대나무 → 텅스텐과 변천해왔는데, 최근의 전구는 발생한 빛을 효율적으로 확산시키고 수명을 연장하는데 중점을 두고 있는 것 같습니다.

형광등의 원리

전자의 마찰(저항)만을 사용하고 있던 전기이지만, 형광등은 조금 다릅니다. 전자를 흘리고 원자에 부딪치는 과정은 동일하지만 빛의 발생 원리를 포함해 그 다음의 과정은 독특합니다.

먼저 전기가 흐르는 필라멘트 및 도선이 아닌 가스 중 방전현상으로, 형광등에 수은가스가 들어있어 전자가 수은가스에 부딪칩니다. 수은가스에 전자가 부딪치면 원자가 진동하는 동시에 자외선(보이지 않는 빛)이 발생합니다. 그것이 유리관에 그려진 형광도료에 부딪혀 형광도료가 발광합니다.

왜 일부러 이런 장황한 방법을 사용하는가 설명하면, 전자가 부딪칠 때 수은은 매우 효율적으로 빛을 발생시키는 있지만, 그 빛이 너무 강하기(자외선) 때문에 감쇠와 확산을 위한 단계가 필요하게 된 것입니다. 덧붙여서, 수은의 발광효율이 좋은 이유는 빛을 발하는 원리의 차이에 있습니다.

형광등은 수은원자에 전자를 부딪칠 때의 방전현상을 이용하고 있습니다만, 방전현상에 의해 발사된 전자(자유전자)는 일반적으로 도선에 전기를 흘릴 때보다 훨씬 높은 에너지를 가지고 있습니다. 수은원자는 다른 원자처럼 원자핵과 전자로 구성되어 있는데, 수은에 부딪쳐 방전된 전자가 가지고 있는 에너지는 원자핵 자체뿐만 아니라 수은전자에도 주어집니다. 과도한 에너지를 가진 상태로 인해 불안정하게 된 전자는 가지고 있던 에너지를 빛(자외선)으로 방출하며 원래대로 돌아갑니다.

방전으로 높은 에너지를 실어 날린 전자는 마찰이라기 보다는 격돌이라고 말해도 좋을 정도의 기세로 원자에 부딪혀 그 기세로 원자에 붙어 있던 수은전자가 뛰어오르며 수은원자가 원래의 위치로 돌아올 때 빛을 발합니다.

light emission by excited atoms
https://images.app.goo.gl/NcChybGjKCHRS8M17

덧붙여서, 전등의 공급에너지는 전기에너지이며, 열을 발생시키며 에너지를 사용해버리는 백열전구는 매우 효율이 낮습니다. 그 점에서, 수은은 백열전구보다 열이 발생하지 않고 낭비가 적기 때문에 매우 에너지가 절약된다고 할 수 있습니다.

LED의 원리

LED의 발광원리 자체는 형광등의 수은과 비슷합니다. 전자에 과도한 에너지를 주어 불필요한 에너지를 방출합니다. 그러나 전자에 과도한 에너지를 주는 과정이 완전히 새로운 기술입니다.

 
정공과 전자가 충돌할 때, 전자가 가진 에너지를 방출하고 빛을 냅니다. 정공은 플러스 성질을 띤 전자처럼 움직입니다. 정공이라는 것은 전자가 없는 구멍입니다.

수중의 거품으로 예를 들면, 거품은 아무것도 들어있지 않은 공기이지만, 주위가 모두 물이므로 거품이란 물체가 존재하는 것처럼 보입니다. 게다가 물은 아래로 떨어지지만 거품은 위로 올라갑니다.

이 전자 안의 거품이 정공이라고도 말할 수 있습니다. 전자가 있기 때문에 정공이라는 무언가가 존재하고 있는 것처럼 전자와 반대 방향으로 움직이는 것입니다.

그럼 왜 이 전자의 거품과 전자가 부딪치면 발광하는 것일까요?

'과도한 에너지를 가진 전자가 에너지를 방출할 때 빛을 발한다'고 설명했는데, 형광등이 억지로 전자에 에너지를 주고 과도한 에너지를 방출시키는 반면, LED는 전자가 떨어지는 구멍을 만들어 전자가 일반적으로 가지고 있던 에너지를 방출시켰다고 표현할 수 있습니다.

이 정공을 실현한 것이 반도체이며, 기술을 비약적으로 발전시키는 데 도움이 되었습니다. 백열등이나 형광등보다 훨씬 에너지가 절약되며 더욱 소형화가 가능하므로 21세기의 전등이라고 할 수 있습니다.

백열등은 저렴하면서도 열을 내고 있어서 열과 빛 모두가 필요한 환경(온실 등)에서는 편리합니다. 또한 '열(진동)'로 빛을 내고 있어서 교류전류로 빛이 반짝이거나 하지 않습니다. 형광등이나 LED 조명에서 사진을 찍으면 교류전류는 사람의 눈에는 보이지 않는 수준으로 깜박하고 있어서 좋은 빛을 얻을 수 없습니다. 그러나 등불로는 에너지 효율이 매우 나쁘고, 환경에 악영향(전기의 낭비)을 미칩니다.

한편 에너지적으로는 효율이 좋은 형광등이지만 인체에 유해한 수은을 사용하고 있어서, 2020년을 목표로 세계적으로 수은 사용규제가 시작됩니다(미나마타 조약). 수은을 사용하지 않는 형광등이 발명되지 않는 한, 형광등도 확실히 규제대상이 되기 때문에 언젠가 형광등은 사용하지 않게 될 것으로 생각됩니다.

즉, 2020년 이후 전등의 대부분이 LED로 대체될 것으로 예상합니다.

수십 년 후 백열등이나 형광등을 보고 옛날을 그리워하게 될지도 모릅니다.

 
출처 참조 번역
· Wikipedia
· 発光の仕組み、白熱電球・蛍光灯・LEDは何故光るのか？人が作った技術の光
https://stonewashersjournal.com/2014/07/30/lightsofhuman/amp/

전기는 어딘가에 탈출구가 없으면 흐르지 않는다는 성질을 가지고 있기 때문입니다. 인간은 하늘을 날지 못하고 지상이나 어딘가에 닿아 있기 때문에 감전되어 버립니다. 조류는 전선에 앉고도 다른 무언가에 접촉하고 있지 않기 때문에 새의 몸에는 전기가 흐르지 않는 것입니다.

조류도 오른발로 전선을 잡고 동시에 왼발로 전신주 등 다른 곳과 접촉하면 소형전구에 불이 들어오는 것처럼 전기가 흘러버립니다. 전신주나 철탑에 새가 둥지를 트는 경우가 있는데, 둥지가 단락되어 있을 수 있습니다.

전선의 종류

전선은 용도에 따라 다양한 종류가 있습니다
여러 곳의 발전소에서 발전된 전기는 전선을 통해 가정에 전송됩니다. 전선의 대부분은 송전탑 및 전신주에 붙어있는 전선이지만 대도시의 시가지에서는 지하에도 매설하고 있습니다. 지하의 경우 지상에 전선이 닿기 때문에 전기가 흐르지 않게 커버한 전력케이블을 사용합니다. 전선에도 여러가지 종류가 있습니다.

◆ 송전선
발전소에서 배전용 변전소까지 대량의 전기를 보냅니다. 전기를 낭비없이 전송하기 위해 50만 볼트나 22만 볼트 등의 매우 높은 전압으로 전송하고 있습니다. 가공송전선 외에도 지중송전선이 있습니다.

◆ 배전선
배전용 변전소에서 전압 6000볼트로 낮춘 전기를 가정이나 빌딩, 공장으로 보내는 전선. 배전선은 6,000볼트의 고전압과 100볼트나 200볼트의 낮은 전압으로 나뉩니다. 전신주의 상단에 침목에 의해 지지되고 있는 전선이 고압선입니다.

◆ 인입선
전신주의 주상변압기에서 전압을 100~200볼트로 떨어뜨린 저압선으로, 각 가정까지 전력을 보내는 선. 인입선의 설치지점에는 빨간색과 노란색 튜브가 장착되어 있으며, 이 지점부터는 인입구 배선을 통한 옥내배선으로 되어 있습니다.

전선을 흐르는 전기

발전소에서 발전된 전기를 보낼 때는 도중에 열에너지 등으로 도망가지 않도록 높은 전압에서 전송합니다.

전선에 흐르는 전기의 크기는 대체로 높이 위치한 전선에 많은 전기가 흐르고 있습니다.

전신주에 설치된 전선의 굵기는 거의 같지만, 전기가 흐르는 양이 커지거나 전압이 높아지면 그것에 견딜 수 있는 전선이어야 합니다. 이런 경우에는 전선 몇 개를 묶어서 사용할 수도 있습니다.

 
출처 참조 번역
· Wikipedia
· 鳥が電線に止まれるのはなんでだろう？
https://www.energia.co.jp/kids/kids-ene/chosatai/wire.html

콘센트에는 플러스 마이너스가 존재합니다. 가정용 전원은 교류이므로 플러스와 마이너스의 구별이 없지만, 콘센트에는 극성이 있습니다.

극성이란?

극성은 콘센트에서 말하는 플러스 마이너스에 해당합니다. 플러스에서 전기가 흘러 마이너스로 돌아가는 흐름을 극성이라고 합니다.

흔히 벽에 있는 콘센트에는 2개의 구멍이 뚫려 있습니다. 이 콘센트 구멍에는 삽입방향이 있습니다. 2개의 구멍을 비교해 보면 각각 약간이지만 길이가 다른 것을 알 수 있습니다.

일반적으로 왼쪽이 더 길고 그 긴 구멍으로 전기가 돌아가는 콜드(마이너스)라고 하며, 다른 쪽을 전기가 흘러오는 핫(플러스)이라고 합니다.

콜드는 대지(여기에서는 접지(어스)라고 명기합니다)에 연결되어 있습니다. 따라서 경우에 따라서는 콜드가 아니라 어스라고 부르기도 합니다.

극성을 구분해야 하는 이유

방향을 반대로 꽂아도 문제없이 사용할 수 있습니다. 그러나 이미지와 사운드에 영향을 미치는 경우도 있으므로 올바른 방향을 이해하는 것이 중요합니다.
　　　　　　
◆ 감전의 위험
콘센트의 플러스 마이너스를 반대로 하고 있으면 닿는 순간 몸에 전류가 흘러 감전될 우려가 있습니다.

◆ 사운드에 영향을 미친다
특히 고품질의 오디오 기기의 경우에는 소리의 영향이 현저하게 나타납니다. 따라서 극성을 올바른 방향으로 일치시켜야 기기 본래의 소리를 낼 수 있습니다.

극성 구분법

극성을 구분하는 방법에는 두 가지가 있습니다.

검전 드라이버는 외형적으로는 마이너스 드라이버와 같은 모양을 하고 있습니다.
검전 드라이버를 핫 측에 꽂으면 드라이버의 내부에 탑재된 네온관이 켜집니다. 콜드 측에 꽂으면 네온관이 점등되지 않으므로, 어느 쪽이 플러스이고 마이너스인지를 알 수 있습니다.

빨간색과 검은색 두 테스터 봉을 사용합니다. 테스터 봉의 한쪽을 손으로 잡고 다른 쪽 끝을 핫 측에 연결하여 테스터로 전압을 측정합니다.

핫의 경우라면 약간의 전압이 나오는 반면, 콜드는 전압이 나오지 않습니다. 따라서 콘센트의 플러스 마이너스 테스터를 사용하면 전압이 나오는지 나오지 않는지를 알 수 있습니다.

접지와 극성의 관계

접지선은 전기를 바닥에 흘리는 데 사용하는 선을 말합니다. 콘센트의 극성이 반대라면 드물게 감전이 발생하기도 합니다. 그런 감전을 방지하는 방법으로 접지선을 사용하는 경우가 많으며, 전자제품이나 전원 콘센트에서의 누전을 방지하기 위해 이용되고 있습니다.

콘센트 속의 흰 선과 검은 선의 차이

일반 콘센트에는 흰 선과 검은 선이 각각 들어 있습니다. 기본적으로 검은 선이 플러스이고 흰 선이 마이너스로 되어 있습니다. 검은 선은 닿으면 감전될 우려가 있습니다. 흰 선은 0V라 감전위험이 없지만 검은 선은 대지와 100V의 전위차가 있어서 전기가 인체를 통과해 대지로 흐르면서 감전될 수 있습니다.

그러나 흰 선을 만져 감전되었다는 사례도 존재합니다. 공사가 제대로 시공되고 있는 주택이라면 기본적으로 감전은 일어나지 않습니다만, 감전을 확실하게 방지할 수 없는 것도 있으므로 주의하십시오.

특히 주의해야 하는 독극물(Highly Toxic)

· 납
· 바륨
· 레드/오렌지/노란색 등의 안료
· 삼산화 안티몬
· 오산화 바나듐
· 산화니켈
· 산화크로뮴
· 망간
...

독극물(Toxic)

· 산화코발트
· 구리
· 리튬
· 붕산
· 아연
...

현재 납 이외는 유약원료로 일반적으로 사용되고 있는 것들입니다. 구리는 오리베 유약, 진사 등 빈번히 사용되고 있는 착색 금속으로, 사용되고 있다고 해서 나쁘다는 뜻은 아닙니다. 납, 카드뮴은 일본에서는 많은 생산자, 도예가가 위험을 인식하여 사용하고 있지 않다고 생각합니다만, 2007년 해외에서 저렴하게 생산되거나 수입된 뚝배기에서 납의 사용이 발각된 사건이 있었습니다. 아마도 납이 낮은 온도에서도 녹는 강력한 용해제로써 간편하게 사용할 수 있어 경제성이 높아 싸게 제작할 수 있기 때문이라고 생각합니다. 이 성분은 아직도 구하려고 시도하면 사용할 수도 있습니다.

식기를 구입할 때 스스로 할 수 있는 방어방법으로는 저렴한 숍에서 구입한 선명한 컬러의 식기나 그림접시를 사지 않거나 사용하지 않는 것이라고 생각합니다.

저렴하다 = 고온소성하지 않았다
저렴한데 색상이 선명하다 = 납이 사용되었다

도자기의 표면에는 보통 유약이라고 불리는 유리피막으로 덮여있습니다. 이 유리(매트, 유탁, 결정, 투명함)가 도자기를 강하고 아름답게 합니다. 그러나 동시에 유약의 디자인을 우선시하거나 경제성을 위해 저렴한 독극물을 사용하거나 과도하게 첨가한 식기를 사용하다 보면, 식품의 산성물질이 표면을 침식하게 되고 이로 인해 중금속이 흘러나온다는 연구결과가 보고되었습니다.

시중의 도자기의 유약의 조합 밸런스 등을 보면 우려되는 것이 상당히 있습니다. 유약조합에 알루미나, 실리카 성분이 적게 들어가 독극물이 완전히 유리 안에 갇히지 않을 것이라고 생각되기 때문입니다. 물론 식기 이용을 상정하고 있지 않다면 문제가 되지 않습니다.

독극물도 있지만 아틀리에에서 사용하는 식기의 유약은 완전히 융해되어 무독화하는 범위의 첨가량입니다.

출처 참조 번역
· Wikipedia
· 陶磁器の安全性について
http://monofactory.sub.jp/陶磁器の安全性について/

전기의 고주파 성분을 통과하기 어렵게 한다는 '코일'

코일의 역할 중 하나인 '전류의 변화 안정'에 대해 알아보자

코일은 전선이나 구리 등의 선재를 나선형으로 감은 소자를 말하며, 동선에 전류를 흐르게 함으로써 이른바 자속을 발생시킵니다 .

아래의 이미지의 마더보드(M/B) 위 둥근 자석 주위에 동선을 감은 것이 탑재되어 있는데, 이것이 코일입니다.

이 소자는 '토로이덜 코일(toroidal coil)' 또는 '링코일'이라고 불립니다. 이 코일은 발생하는 자속이 외부에 누설하지 않도록 하여서 코일의 효율이 좋고, 자속이 다른 소자 등에 영향을 주기 어렵다는 특징이 있습니다. 자속 이외에 영향을 주지 않는다는 점에서, 토로이덜 코일이 M/B와 같은 다양한 부품을 탑재하는 보드에 사용되는 이유를 이해할 수 있습니다.

코일의 특징

코일의 특징은 '전기의 고주파 성분을 통과시키기 어렵게 한다'는 것입니다. 고주파 성분을 통과시키기 어렵게 하는 '저항'이라고 생각하면 좋을 것입니다.

저항기는 이 저항값을 'Ω(옴)'라는 단위로 표시했지만, 코일의 저항은 '인덕턴스'라고 부르며 그 단위를 'H(헨리)'라는 단위로 나타냅니다.

코일은 역할을 크게 나누면 다음의 4가지가 됩니다.

• 전류의 변화를 안정
• 상호유도 작용
• 전자석
• 공진

전류의 변화를 안정

이것은 소위 '렌츠의 법칙'을 사용합니다.

관련 링크 :
렌츠의 법칙(Lenz’s law)
https://m.terms.naver.com/entry.nhn?docId=3536993&cid=60217&categoryId=60217

즉, 이것은 '구리 등에 전류가 흐르려고 하면 코일은 전류를 흘리지 않으려고 하고, 전류가 줄어들면 계속 흘리려고 하는 성질'을 의미합니다.

이 성질을 이용하여 교류에서 직류로 변환하는 전원의 평활회로에 많이 사용됩니다. 평활회로는 콘덴서와 코일을 조합하여 사용하면, 코일이 전류의 변화를 저지하려고 작용하고, 커패시터의 입력전압이 0V가 되면 그때까지 축적된 전하를 뱉어내기 때문에 안정된 직류를 얻을 수 있습니다. 가까운 예로는 AC어댑터에 사용되고 있습니다.

물은 매우 친밀한 존재로서 H2O라는 간단한 분자구조는 중고생에게도 잘 알려져 있습니다. 그런 물의 양태에 미해명 상태의 수수께끼가 많습니다. 물이나 얼음 같은 극히 평범한 사물 속에 숨어있는 비밀을 발견하고 규명을 시도하는 것은 과학연구에 매우 중요한 일입니다.

'매우 큰 얼음의 냉열(사물을 차갑게 하는 힘)은 어디에 저장되어 있는가?'라든지, '물의 밀도가 4°C에서 최대가 되고, 그것보다 온도가 높거나 낮아지면 밀도가 작아지는 이유는 무엇인가?'라든지, '고체인 얼음이 액체의 물보다 밀도가 작은 이유는?' 등의 이러한 질문에 대한 답은 지금도 논란이 계속되고 있는 물의 구조의 규명에 필수적입니다.

물분자 특유의 수소결합이란?

산소원자의 바깥쪽 전자궤도에는 6개의 전자가 있고 수소원자의 전자궤도에는 1개의 전자가 들어 있습니다. 산소원자 1개에 수소원자 2개가 결합하여 물분자 H2O를 만드는 경우 각각의 수소원자는 어떤 작은 전자 1개를 산소의 전자궤도에 제공하는 대신에, 산소도 자신의 전자궤도에 전자 1개를 부여받아 서로 단단히 결합됩니다. 수소원자는 전자궤도에 2개, 산소원자는 바깥궤도에 8개의 전자가 들어간 상태가 되면 안정하는 특별한 성질이 있기 때문에 '공유결합'이라는 수소 2개와 산소 1개 강한 결합이 일어납니다. 서로 전자를 대차하여 결산이 들어맞는 조밀한 관계를 형성하는 것입니다.
　
그런데 하나하나가 독립적이고 안정적으로 있어야 할 물분자가 왜 얼음같은 고체결정이 되고, 4°C에서 최대밀도를 가진 액체가 되거나 하는 것일까? 그 수수께끼를 푸는 열쇠는 '수소결합'이라는 물분자 사이의 특수한 상호흡입 메커니즘에 있을 수 있습니다. 물분자의 수소원자가 가진 2개의 전자는 산소와의 공유결합 부분에 몰리기 때문에 수소원자의 공유결합 부분의 반대편은 약한 양전하(플러스 전기)를 띠고 있는 한편, 산소원자의 바깥쪽 전자궤도 나머지 4개의 전자(공유결합 부분의 2개 이외의 전자)는 2개의 분리된 전자쌍을 이루고 음전하(마이너스 전기)를 띠고 있습니다. 따라서 물분자의 양전하를 띤 2개의 수소원자 끝 부분에는 다른 2개의 물분자의 음전하 부분(고립 전자쌍 부분)이, 또 반대로 음전하를 띤 두 개의 분리된 전자쌍 부분은 다른 2개의 물분자의 수소원자 끝 부분이 끌릴 수 있습니다. 그것은 수소결합이라는 것으로, 그 결합력은 공유결합의 10분의 1 정도라고 생각됩니다.
　

이 수소결합 메커니즘에 의해 1개의 물분자는 그 주위에 4개의 물분자를 끌어당깁니다. 정사면체의 각 꼭지점과 그 중심에 총 5개의 물분자가 위치하는 구도를 상상해보십시오. 이 기본구조가 일정하게 겹쳐져 형성된 결정체가 얼음입니다. 지금까지 얼음의 H2O 분자상호의 결합상태와 그 기능의 직접 관측은 곤란했기 때문에 컴퓨터에서 가상원자 간의 상호작용과 그 메커니즘을 추정하는 분자동역학 시뮬레이션을 이용한 규명이 이루어져 왔습니다. 그러나 최근 SPring-8의 고에너지 비탄성 산란 빔라인(BL08W)의 콤프턴 산란법을 이용한 정밀실험을 통해 직접 얼음의 구조 · 기능의 관측에 성공했고 분자동역학 시뮬레이션의 예상을 뒷받침할 수 있었습니다.
　
콤프턴 산란법은 X선 입자(광자)가 전자와 충돌하여 산란 전후의 에너지 차이를 분석하고 연구대상의 분자나 원자가 가진 전자의 운동양태를 조사하는 기법입니다. 이 일련의 연구를 통해 얼음이 갖는 냉열에너지의 일부는 저온일수록 물분자의 결합력이 강해지는 네트워크 구조 중에 축적되고 나머지 일부가 분자의 진동에너지로 축적되는 것으로 밝혀졌습니다. 향후 축열재료 개발과 신물질의 축열특성의 해명에 기여할 것으로 보이는 이 기초연구는 미국의 유명한 과학잡지에도 소개되었습니다.

불가사의한 물의 구조

X선의 발견자이자 제1회 노벨상 수상자이기도 한 뢴트겐은 1892년에 '물은 얼음과 비슷한 구조와 알 수 없는 구조 두 가지가 뒤섞여 있다'라는 모델을 제창했습니다. 그러나 1933년 캠브리지대학의 교수들이 물의 X선 회절데이터를 바탕으로 '물은 정사면체의 각 꼭지점과 그 중심에 H2O분자가 배치된 얼음의 구조가 연속적으로 왜곡되어 있다'는 이론모델을 제시했습니다. 이 모델은 이후 다양한 분광학적 분석 및 1980년 이후 급속히 고성능화된 컴퓨터에 의한 3차원 분자동역학 시뮬레이션의 결과, 결정적인 것은 아니더라도 많은 연구자로부터 지지받게 되었습니다.

2008년에 이화학연구소의 연구원들은 SPring-8의 이화학연구소 물리과학 III 빔라인(BL17SU)의 고휘도 연X선과 연X선의 투과도가 높고 강도가 있는 두께 150nm의 박막을 창재에 이용한 신개발의 특수시료용기(액체 PromethION)를 배치한 분해능 세계 최고의 연X선 발광분광장치로 물의 구조 해석을 실시했습니다. 연X선을 조사하여 수소와 공유결합하고 있는 산소원자의 안쪽궤도 전자를 팅겨내면 그것에 의해 전자가 공석이 된 양전하 부분(정공)을 보완하기 위해 바깥궤도의 전자 1개가 안쪽으로 이동합니다. 그 때 바깥궤도 전자와 안쪽궤도 전자의 보유한 에너지 차이에 해당하는 에너지가 연X선으로 방출되기 때문에 방출된 연X선 에너지의 분포(에너지 스펙트럼)의 차이를 살펴보면 고립 전자쌍의 양태를 알 수 있습니다. 이것이 연X선 발광분광에 의한 물의 구조 해석의 원리입니다. 이 방법으로 액체상태의 물을 연X선 발광스펙트럼으로 살펴보면, 수소결합에 참여하는 고립 전자쌍의 피크가 2개로 나누어져 있다는 것이 밝혀졌습니다.

이 사실은 수소결합의 방법이 다른 2종류의 상태가 물속에 동시에 존재하는 것을 시사하고 있는 것입니다. 또한 엄밀한 검증을 진행하기 위해 물질에 X선을 조사했을 때 생기는 산란각도의 작은 X선 산란패턴을 분석하여 미세구조를 관찰하는 방법(X선 소각산란분광법)과 전자가 존재하지 않는 분자궤도를 관측하는 X선 라만산란법 등을 이용하여 다른 각도에서 물의 구조 분석이 이루어졌습니다.

자료를 바탕으로 한 '물의 구조 이미지'는 실로 놀라운 것이었습니다. 질서있는 얼음의 구조가 연속적으로 서서히 왜곡되어 균일한 구조의 물이 된다는 기존 모델과 달리 물에 비교적 큰 밀도의 불균일성(농담)이 있다는, 즉 '얼음과 비슷한 질서 구조(저밀도)'가 '수소결합의 팔이 크게 잘려 왜곡된 물분자의 바다(고밀도)'에 산재한 '물방울 무늬 같은 미세구조'를 하고 있다는 것입니다. 또한, 이 불균일성은 고온에서는 눈에 띄지 않게 되고, 저온에서 뚜렷해진다는 것도 알게 되었습니다. 뢴트겐이 제창한 모델로 회귀해 버리는 이 연구결과는 미국의 과학잡지에 게재되자 분자동역학 시뮬레이션의 최신모델도 수정이 필요하다는 의견이 높아졌고 현재도 그 논의가 계속되고 있습니다.

물보다 얼음의 밀도가 낮은 것과 물의 밀도가 4°C에서 최대가 되는 것은, 분자간의 거리와 하나의 분자를 둘러싸는 평균적인 다른 분자의 수(배치수) 등의 관점에서 어떻게든 설명이 붙게 될 것입니다. 다만 물이 가지는 2양태의 상호변화가 항상 어느 정도의 순간속도로 일어나고 있는지, 물질이 녹아들면 그 변화는 어떻게 되는지 등 미지의 영역이 넘쳐나, 물의 경이로움을 완전히 규명하기 위한 과제는 고갈될 기미가 없습니다.

의외로 생각될지도 모르지만, 물질이 물에 녹는 메커니즘, 생물의 체내에서의 물의 작용, 화학반응에서의 물의 역할 등을 규명하기 위해서는 일련의 물에 대한 기초연구가 필수적입니다. 예를 들어, 각종 이온수를 포함한 생물세포의 기능규명은 물의 구조와 관련 전자상태의 완전한 파악이 대전제가 되는 것입니다.

출처 참조 번역
· Wikipedia
· いまだ謎多き水分子の世界 　－その意外な構造と運動様態の秘密に迫る－
http://www.spring8.or.jp/ja/news_publications/research_highlights/no_54/

전기를 물리적 또는 미시적으로 표현할 때 전하라고 합니다. 전하의 양을 전기량이라고 합니다. 전기란 무엇인가 또는 전하란 무엇이냐고 묻는다면, 그 질문이 너무 근본적이어서 대답할 수 없습니다. 모든 전자기 현상의 근본이 되는 것이고, 만유인력의 질량과 같은 것이라고도 말할 수 있습니다.

전하는 플러스와 마이너스를 각각 양전하, 음전하라고 합니다. 같은 부호끼리의 전하가 서로 반발하고(척력) 다른 부호끼리의 전하는 서로 끌어당깁니다(인력).

전기량(전하의 양)의 단위는 [C] 쿨롱입니다. 1C라는 양은 1A의 전류가 흐를 때 그 도체의 단면을 1초에 통과하는 전기량이라고 정해져 있습니다. 양의 기호로는 q나 Q를 사용합니다.

전기량에는 최소치가 있는데 이를 기본전하라고 합니다. 양전하의 양성자, 음전하의 전자가 가지는 전하의 절대값입니다. e로 표시됩니다. 양성자 1개의 전기량은 eC이며, 전자 1개의 전기량은 -eC이며, 세상의 모든 물체의 전기량은 이러한 정배수로 되어 있습니다.

원자의 구조

세상의 물질은 분자로 구성되어 있고, 분자는 원자로 구성되어 있습니다. 원자는 원자핵과 전자로 구성되어 있습니다. 원자핵 주위를 전자가 돌고 있습니다. 원자핵은 양성자와 중성자로 구성되어 있습니다. 전자는 음의 전하를 가지고 양성자는 양의 전하를 가지고 있습니다. 중성자는 전하를 가지지 있지 않습니다.

보통의 상태에서는 전자의 수와 양성자의 수는 동일하여 음의 전하의 양 및 양의 전하의 양이 균형을 이루고 있습니다.

전자는 비교적 자유롭게 움직일 수 있으며, 전자를 잃은 원자는 전체적으로 양의 전하를 가지고 전자를 얻은 원자는 전체적으로 음의 전하를 가지고 있습니다.

양자는 고정되어 있어 움직일 수 없습니다. 원자가 양전하를 띠고 있다면 전자가 결손되어 있는 상태이고, 원자가 중성이면 양성자와 전자의 수가 동수, 원자가 음전하를 띠고 있다면 전자가 과도한 상태입니다.

대전

물체가 전기를 띠는 것을 대전한다고 표현합니다. 대전된 물체를 대전체라고 합니다. 대전된 입자를 하전입자라고 합니다. 크기가 무시할 수 있을 정도로 작은 대전체를 점전하라고 합니다. 역학의 질점과 같은 것입니다.

전기량 보존법칙

전하는 아무것도 없는 곳에서 생성되거나 소멸하지 않습니다. 전하를 교환할 때, 그 전후에 전하의 양(전기량)의 총합은 변화하지 않습니다. 이것을 전기량 보존법칙(또는 전하량 보존법칙)이라고 합니다.

정전기

물질에 대전된 전기를 정전기라고 합니다. 겨울철 철제 손잡이에 손이 닿으면 일어나는 전기충격은 정전기의 소행입니다. +로 대전된 사람의 손과 -로 대전된 손잡이와의 작은 공간에 전자가 날아들어 순간적으로 수천 볼트 정도의 전기가 발생합니다. 여름에 정전기가 발생하지 않는 이유는 여름이 더 습하고 눈에는 보이지는 않지만 공기 중의 수분을 타고 전기가 도망가기 때문입니다.

+전기를 띠기 쉬운지 또는 -전기를 띠기 쉬운지는 원자 내의 전자의 구성에 따라 달라집니다. 전자를 방출하기 쉬운 원자는 +전기를 띠기 쉽고, 전자를 캡처하기 쉬운 원자는 -전기를 띠기 쉽지만 어떤 원자가 방출하기 쉬운 것인지 또는 캡처하기 쉬운 것인지는 고등학교 화학의 '물질의 구성입자' 절에 자세히 설명되어 있습니다.

머리카락을 밑받침으로 문지르면 머리카락이 뜨는 이유는 머리카락이 +로 대전되기 쉬운 반면 밑받침은 염화비닐로 되어있어 -로 대전되기 쉽기 때문입니다. 머리카락과 염화비닐을 비비면 머리카락을 구성하는 원자의 전자들이 염화비닐로 옮겨가면서 머리카락은 +전기를 띠고 PVC는 -전기를 띠게 되고, +전기와 -전기가 자석처럼 서로를 끌어당기게 됩니다.

정(静)과 동(動)

정전기의 '정'은 전하가 정지하고 있으므로 '정'입니다. 정전기는 순간적으로 발생하며 전기가 움직입니다만, 그래도 그 즉시 정지합니다. 이에 비해 계속 움직이는 전기를 동전기라고 합니다. 동전기라는 말은 상용되지 않지만 정전기의 반대어가 될 것입니다. 일반적인 표현으로는 전류에 해당합니다.

실제 각 분야는 '정'과 '동'으로 나눌 수 있습니다.

정역학 ...... 벽에 기대어 둔 막대기 등
동역학 ...... 운동 전반

정전기 ...... 정전기, 정전기 유도 등
동전기 ...... 전기회로 등

파동 분야는 모두 '동'입니다. 정지한 것을 파동이라고 말할 수 없습니다.

마찰력은 정지마찰력과 동마찰력이 있습니다. 수압은 정수압과 동수압이 있습니다. 고등학교 물리에서 학습하는 것은 정수압뿐입니다.

출처 참조 번역
· Wikipedia
· 電荷
http://www.wakariyasui.sakura.ne.jp/p/elec/seidenn/dennka.html

전자회로에 빠뜨릴 수 없다고 할만큼 많은 곳에서 사용되는 콘덴서와 코일. 전자회로의 기본인 콘덴서와 코일의 역할, 역사, 원리를 설명합니다.

전기를 축적하고 출력하는 콘덴서

콘덴서는 전자기기를 제어하는 전자회로에 반드시라고 해도 좋을 정도로 필수 내장되는 전자부품입니다.

◆ 콘덴서의 기능

전압 안정
콘덴서의 가장 알려진 작용은, 전압을 가하면 충전되고 부하를 연결하면 방전을 하는 성질입니다. 이러한 작용에 의해 전압이 변동하는 경우에는 그 변화를 흡수하여 전압을 안정시키는 작용을 합니다.

교류전류를 출력
콘덴서는 직류전류를 통과시키지 않고, 교류전류만을 통과시킵니다. 이것은 변위전류라는 콘덴서에서 발생하는 특유의 현상 때문입니다. 이 성질을 이용하여 교류전류만을 출력하여 그 주파수를 판독함으로써 신호로 처리할 수 있습니다.

이 작용이 가장 사용되고 있는 것이 커플링 콘덴서입니다. 바이어스 전압을 제거하고 회로 사이를 결합할 수 있습니다.

노이즈를 차단
직류전류를 차단하고 교류전류를 통과시키는 성질은 또 하나의 작용을 가지고 있습니다. 그것은 소음을 제거하는 작용입니다. 직류전류를 필요로 하는 전자기기는 교류전류가 불필요한 노이즈입니다. 이 노이즈를 제거하는 위해 직류와 교류의 엇갈린 신호 통로에 접지된 콘덴서를 설치합니다. 이렇게하여 교류 성분을 콘덴서로 제거하여 순수한 직류전류만을 출력할 수 있습니다.

◆ 콘덴서의 원리
콘덴서는 절연체를 사이에 둔 2개의 금속판으로 구성되어 있는 것이 기본입니다. 이 금속판이 전극이 되고 절연체로는 공기나 절연필름 등이 사용됩니다. 이 사이에 끼우는 절연체는 유도체라고 합니다.

전극에 직류전압을 걸면 전극에 전기의 근원이 되는 전하가 흘러갑니다. 전원의 플러스가 연결된 쪽은 플러스의 전하(양전하), 마이너스가 연결된 쪽은 마이너스의 전하(음전하)가 축적됩니다. 그러나 전극 사이는 절연되어 있어서 전류는 흐르지 않습니다. 이 때, 양전하와 음전하는 자석처럼 서로를 당기는 성질을 가지고 있습니다.

전극에 축적되는 전하의 양(정전 용량)이 정해져 있어서 양이 가득차면 더 이상 전하가 흘러들어가지 않습니다. 이 상태에서 전압을 거는 것을 중단하여도 양전하와 음전하의 당기는 힘(쿨롱 힘)에 의해 전하가 전극에 남아있습니다. 이것이 콘덴서의 충전원리입니다.

다음으로, 전극에 LED와 같은 부하를 연결하면 축적된 전하가 흐르기 시작합니다. 이것이 콘덴서의 전기방출입니다. 전극에 축적되어 있던 전하가 방전되면 방출이 끝나고 LED가 점등되지 않습니다.

콘덴서의 충전과 방전은 이러한 기본적 원리로 이루어지고 있습니다.

그럼 직류전압이 아닌 교류전압을 건 경우는 어떨까요?

직류전압을 걸었을 경우에는 정전용량까지 충전되고 더 이상 전기가 흐르지 않습니다. 그러나 교류전압을 건 경우에는 2개의 전극에 흐르는 플러스와 마이너스의 전하가 1초에 주파수의 횟수만큼 번갈아 바뀝니다. 이 때 실제로는 절연체를 넘어 전기가 흐르는 것은 아니지만, 전하의 교체가 반복되는 것으로 인해 교류전류가 흐르고 있는 것과 동일한 움직임을 합니다.

이것이 콘덴서가 직류전류를 차단하고 교류전류를 통과시키는 원리입니다.

◆ 콘덴서 용어와 단위
콘덴서에 대해 사용되는 용어 또는 단위로는 다음의 세 가지가 대표적입니다.

• 정전용량(커패시턴스)
콘덴서가 저장할 수 있는 전하의 양을 나타냅니다.
• Q(쿨롱)
전하량의 단위입니다. 1A(암페어)의 전기를 1초 동안 흐르게 할 때 축적되는 전하량이 1Q입니다.
• F(패럿)
정전용량의 단위입니다. 콘덴서의 정전용량이 1F일 경우에 1Q의 전하량을 축적하면 전극 사이의 전위차는 1V(볼트)입니다.

전기와 자기를 작용시키는 코일

콘덴서와 마찬가지로 코일도 전자회로에 필수적이라고 할 수 있는 소자입니다. 코일은 인덕터 또는
인덕션 코일이라고 불립니다. 이는 인덕터라는 소자에 일반적으로 코일이 많이 사용되고 있기 때문입니다.

◆ 코일의 작용

전류의 안정
코일은 코일에 흐르는 전류나 주위의 자기장이 변화하면 그것을 방해하는 방향으로 전류와 자기장을 발생시키는 성질이 있습니다. 이 성질을 이용하여 전류의 변화를 흡수하고 안정시킬 수 있습니다.

전압의 승강
교류전압의 승강에 사용되는 트랜스는 코일을 응용한 것입니다. 환상의 철심에 감겨진 두 코일 중 한쪽에 전기를 흐르게 하면 그로 인해 발생한 자속이 다른 쪽 코일에 전류를 발생시킵니다. 교류전류는 전류의 방향이 항상 바뀌기 때문에 이 전류와 자기장 방향의 변화를 방해하는 전류와 자기장이 발생합니다. 이러한 전자기 유도의 원리를 응용한 것이 트랜스이며, 코일이 가진 대표적인 기능 중 하나입니다.

교류에 대해 저항처럼 작용
코일에 직류전류를 통과시키면 코일은 순간 그 흐름을 방해하지만 이후 단순한 도체로 작용하여 직류전류를 순조롭게 통과시킵니다. 그러나 교류전류의 경우는 전류의 방향이 계속해서 바뀌어 코일도 그것을 계속해서 방해하려고 합니다. 따라서 교류전류에는 코일이 저항처럼 작용하는 현상을 리액턴스(reactance)라고 합니다.

◆ 코일의 원리
코일은 전선을 감은 구조를 하고 있습니다. 코일에 전기가 흐르면 전선 주위에 자기장이 발생합니다. 코일의 작용은 이 자기장과 전류의 관계 때문입니다.

코일에 전기가 흐르면 자기장이 발생하는 것과 마찬가지로 자기장을 갖는 것, 즉 자석을 코일에 접근시키거나 떼어놓으면 코일에 전류가 발생합니다. 이것을 전자유도라고 합니다. 이 때 흐르는 전류는 유도전류라고 합니다.

러시아의 물리학자 렌츠는 자기장 변화의 반대 방향에서 유도전류가 발생한다는 것을 밝혀냈습니다. 이것이 렌츠의 법칙입니다. 코일은 자기장의 방향에 따라 한 방향으로 전기가 흐릅니다. 이것은 오른나사의 법칙으로 알려져 있는데, 유도전류도 이 법칙에 따라 흐릅니다.

이렇게 전류의 변화에 의해 자기장이 발생하고, 자기장의 변화에 의해 전류가 발생하는 전자유도가 코일의 원리입니다.

◆ 코일에 관련된 용어와 단위

• 유도성 리액턴스
코일은 직류전기를 통과시키지만, 교류전류에 대해서는 저항과 같은 작용을 보여줍니다. 이러한 작용에 의한 전류방해를 유도성 리액턴스라고 합니다. 유도성 리액턴스를 회로 내의 저항으로 간주하고, 단위는 Ω(옴)을 사용합니다.
• 임피던스
회로 전체에서 저항으로 작용하는 모든 것을 합한 것을 말합니다. 회로 내의 코일의 리액턴스, 콘덴서의 리액턴스, 저항(저항)을 합친 것이 임피던스입니다. 이쪽도 마찬가지로 Ω 단위를 사용합니다.
• 인덕턴스
코일에 흐르는 전류의 크기가 변화할 때, 그것을 방해하려고 하는 작용의 크기를 인덕턴스라고 합니다. 전류가 흐르는 코일 자체에 작용하는 것을 자기인덕턴스, 두 코일의 한쪽에 변동하는 전류를 흘려 다른 쪽에 작용하는 것을 상호 인덕턴스라고 합니다.

리액턴스와 달리 변화를 방해하려고 하는 힘의 크기를 나타내므로 저항과 다릅니다. 인덕턴스의 단위는 H(헨리)로, 1H는 초당 1A의 전류변화가 있을 때 1V를 발생시키는 인덕턴스입니다.

마무리

전기와 자기가 밀접하게 관계하는 콘덴서와 코일은 전기회로에서 없어서는 안될 존재로서, 콘덴서와 코일은 모두 전기와 자기의 작용에 의해 다양한 특성을 만들어내고 있습니다. 콘덴서와 코일은 전기와 자기의 관계를 잘 활용하여 많은 전자기기를 작동시키고 있는 것입니다.

출처 참조 번역
コンデンサとは? | 村田製作所
コンデンサの役割を学ぶ｜APS
コイルとは? | 村田製作所
コイルの種類と時定数を学ぶ｜APS
コンデンサとコイル｜機器開発入門
エレクトロニクス入門 インダクタ編　No.2「インダクタの基礎知識②」｜TDK株式会社

전자회로를 구성하는 부품 중 코일은 저항과 콘덴서와 함께 중요한 역할을 하고 있습니다. 예를 들어, 스마트폰이 전화의 전파를 송수신하기 위해 필요한 전자회로 부품입니다.

1. 코일(인덕터)의 개요

코일은 간단히 말해 선을 빙빙 감은 것의 총칭입니다. 전기와는 관계가 없지만 빙빙 감은 스프링을 '코일 스프링'이라고 부르기도 합니다.
즉, 선을 빙빙 두른 형상을 코일이라고 부릅니다.

도선에 전류가 흐르면 그 도선을 중심으로 동심자계가 발생합니다. 자기장은 전류가 흐르는 방향에서 볼 때 시계 방향으로 발생하는 특성이 있습니다. 이른바 '오른나사의 법칙'이라는 것으로, 이 전류가 흐를 때의 자기장을 이용하는 것이 코일(인덕터)이라는 부품입니다.

코일의 역할은 크게 두 가지가 있는데 하나는 에너지를 축적하는 역할입니다. 다른 하나는 교류전류를 흘리지 않도록 하는(주파수에 크게 의존) 역할입니다.

2. 코일의 역할

(1) 에너지를 축적
코일에 전압을 인가하여 전류를 흘리면 '자속(磁束)'이라는 것이 발생합니다. 이것은 자석의 자속과 동일합니다. 이 자속은 외부 전원을 차단하여도 그대로 유지됩니다. 이것은 코일에 전류를 흐르게 함으로써 코일이 자화된 것을 의미합니다. 즉, 전기에너지가 자기에너지로 변화하여 코일 내부에 축적된 것입니다.

단위 전류당 자속을 생성하는 능력을 '인덕턴스'이라고 합니다. 축적되는 자기에너지의 양이 인덕턴스에 의해 결정되며 단위는 헨리(H)입니다.

식으로 표현하면
Φ = L × I
[Φ : 자속(Wb), L : 인덕턴스(H), I : 전류(A)]
입니다.

축적할 수 있는 에너지는 다음의 식으로 나타냅니다.
W = (1/2) × L × I × I
[W : 에너지 (J)]

(2) 교류전류를 흐르게 하지 않는다
코일에 '직류'가 흘리면 코일이 순간 그 흐름을 방해하지만 이후 단순한 도체로 작용하여 직류전류를 순조롭게 흘립니다.

그러나 '교류'는 시간에 따라 주기적으로 크기와 방향이 변화하는 전류로, 코일에 전류가 흐르려고 하면 그 전류에 의한 자기장이 다른 코일을 가로 지르기 때문에 유도전압이 발생하고 전류변화를 방해하려고 합니다.

특히 전류가 갑자기 증가하려고 하면 전류와 반대 방향, 즉 전류를 감소시키는 방향으로 기전력이 발생하여 전류의 증가를 방해합니다. 반대로 전류가 감소하려고 하면 증가하는 방향으로 작동합니다.

교류전류의 경우는 전류의 방향이 계속 바뀌어 코일도 계속 그것을 방해하려고 합니다. 이처럼 코일은 교류에 대해 저항처럼 작용하며, 주파수가 높아질수록 흐르기 어렵게 하는 성질이 있습니다.

3. 코일의 종류

◆ 구조에 의한 코일의 분류(종류)

권선의 구조로 분류하면 주로 권선코일 적층코일, 박막코일 3가지로 나눌 수 있습니다.

① 권선코일
'권선코일'은 절연피복된 구리선을 플라스틱 보빈과 페라이트 코어에 스프링처럼 나선형으로 감은 것입니다.
② 적층코일
'적층코일'은 도체금속을 시트와 기판 위에 인쇄하여 여러 층으로 겹친 것입니다.
소형화, 고주파 특성이 우수합니다.
③ 박막코일
'박막코일'은 스퍼터링 및 증착기술을 사용하여 인쇄보다 더 얇은 금속막으로 코일을 형성한 것입니다. 소형의 정밀한 코일이 가능합니다.

◆ 기능에 의한 코일의 분류(종류)

① 초크코일
주로 전원회로에 사용되는 코일을 초크코일이라고 부르고 있습니다. 교류전류를 한 방향의 전류로 정돈하거나 노이즈를 제거합니다.
② 동조코일
특정 주파수의 신호를 출력하기 위하여 사용됩니다. 주로 무선회로나 오디오회로에 사용됩니다.
③ 안테나
AM라디오의 내부를 살펴보면 페라이트 막대에 도선을 감은 바안테나를 확인할 수 있습니다. 이 안테나도 코일의 1종입니다.
④ 트랜스
트랜스도 코일의 1종입니다. 사용되는 상황에 따라 종류가 있습니다. 교류전압을 변환하는 전원트랜스, 음성신호를 변환하는 오디오 트랜스, 중간주파수를 선택하는 중간주파수 변압기 등 전압, 전류, 주파수 등에 따라 많은 종류로 나눌 수 있습니다.

이상, 전자회로의 핵심 부품 중 하나인 코일의 필수 기초지식을 설명했습니다.

출처 참조 번역
Wikipedia
３分でわかる技術の超キホン 初学者必見！電子回路におけるコイル（インダクタ）の役割と種類
https://engineer-education.com/coil-inductor_electronic-circuit/#:~:text=%E3%82%B3%E3%82%A4%E3%83%AB%EF%BC%88%E3%82%A4%E3%83%B3%E3%83%80%E3%82%AF%E3%82%BF%EF%BC%89%E3%81%AE%E5%BD%B9%E5%89%B2%E3%81%AF,%E4%BE%9D%E5%AD%98%E3%81%99%E3%82%8B%EF%BC%89%E3%81%A8%E3%81%84%E3%81%86%E5%BD%B9%E5%89%B2%E3%81%A7%E3%81%99%E3%80%82

전기저항은 한마디로 전류의 흐르기 어려움을 나타낸 수치로 단위는 옴(Ω)입니다. 이 수치가 크면 클수록 그 물체에 전류가 흐르기 어렵습니다.

예를 들어,
물체 A : 100Ω
물체 B : 200Ω
전기저항을 가지고 있는 두 물체가 있다고 하면, 저항값의 큰 물체 B가 전류가 흐르기 어렵습니다.

전기저항을 구하는 법

그리고 이 전기저항(R)이라는 것은 그 물체에 걸리는 전압(V)과 전류(I)를 사용하면 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있습니다.

R = V / I

이것은 향후 자주 사용하게 되는 옴의 법칙입니다.
이 식에서 알 수 있는 것은 전압(V)이 일정한 경우 분모의 전류(I)가 클수록 저항값이 작아진다는 것.
즉, 동일한 전압에서 큰 전류가 흐르는 물질일수록 전기저항이 작습니다. 반대로 전류가 작은 경우 분모가 작아지므로 저항값은 커집니다. 흐르는 전류가 작을수록 전기저항은 큰 것입니다.

전기저항은 무엇에 의해 결정되는가?

저항값이 100Ω의 물체 A와 200Ω의 물체 B는 무엇이 다른 것일까?

물체의 저항값이라는 녀석은 다음의 4가지 요소에 의해 변화해 나갑니다.

• 물질의 종류

전류의 흐름은 물체를 구성하는 원자의 밀도에 따라 변화합니다.

• 물체의 온도
물체의 온도도 저항값에 영향을 줍니다. 온도가 높아질수록 저항값이 커집니다. 물질의 온도가 변화하면 물질 중의 원자의 진동 움직임이 커지고 그리고 빨라집니다. 그렇게 되면 물질 속의 전자는 격렬하게 진동하는 원자에 의해 방해받아 통과하기 어렵게 되기 때문에, 온도가 높아지면 전류가 흐르기 어려워집니다.

• 물체의 길이
물체가 길수록 전기저항이 커집니다. 물체가 길수록 전자가 통과해야 하는 거리가 증가해 그만큼 물질 속의 원자에 의해 방해받기 쉬워지므로 저항도 커집니다.

• 물체의 단면적
단면적이 클수록 저항값은 작아집니다. 단면적이 커지면 당연히 전자가 통과하는 폭이 커지기 때문에 전자는 통과하기 쉬워집니다.

최근에는 세계적으로 우주개발이 활발해지고 있으며, NASA가 2024년까지 유인 달착륙을 목표로 아르테미스 계획을 추진하고 유인 화성탐사도 현실화할 조짐을 보이고 있습니다. 인류의 우주진출이 진행되는 가운데 칼튼대학의 연구진은 '장기간 우주여행의 열쇠를 쥐고 있다'며 여우원숭이의 일종인 회색쥐리머(Gray mouse lemur)에 주목합니다.

Hibernating lemurs may be the key to cryogenic sleep for human space travel
https://theconversation.com/hibernating-lemurs-may-be-the-key-to-cryogenic-sleep-for-human-space-travel-148408

인간이 도달해야 할 목표 위치가 지구에서 멀어질수록 우주공간을 이동하는 시간이 길어집니다. 장기간의 임무를 달성하기 위해 우주비행사의 건강을 유지해야 하지만 우주는 인간에게 살기 좋은 장소가 아니라고 연구진은 지적합니다.

매우 추운 우주는 산소와 중력이 존재하지 않는 데다가 끊임없이 쏟아지는 유해한 우주선으로부터 보호해주는 대기와 자기장이 없습니다. 또한 지구의 중력에 적응하고 진화를 이룬 인간이 중력이 적은 환경에서 장기간 머무르게 되면 근육량과 골밀도가 저하되는 등의 문제도 발생합니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 인간은 탑승자를 안전하게 보호하는 우주선과 근력 트레이닝기구를 설치하는 등의 대책을 강구하고 있으며, 우주공간이 인체에 미치는 영향에 대해서도 조사를 실시하고 있습니다. 그러나 면역체계와 시력에 미치는 영향 등 많은 의학적인 문제를 해결하는 유력한 방법은 개발되어 있지 않습니다. 연구진은 이와 함께 우주선에 적재하는 식량과 물자의 할당 등의 물류 문제와 우주비행 중 장기간의 고립에 의한 문제에 직면해 있다는 것.

다양한 장기 우주여행에 대한 몇 가지 문제를 해결할 수 있다며 연구자들이 주목하고 있는 것이 동물의 신진대사 활동을 크게 억제하거나 정지한 상태에서 혹독한 겨울을 극복하게 하는 '동면'입니다. 우주선을 타고 인간을 동면상태로 목적지까지 수송할 수 있다면 장기간의 고립과 건강 문제, 우주선에 적재하는 음식과 물의 양, 우주선의 크기 등 많은 문제를 줄일 수 있다고 연구자들은 주장합니다.

동면상태에서 보내는 동물은 장기간에 걸쳐 음식을 섭취하지 않고 운동도 하지 않지만, 근육과 골밀도의 현저한 저하를 경험하지 않은 채 겨울을 극복할 수 있습니다. 생명유지에 필요한 생물학적 기능만 남기고 많은 에너지를 사용하는 기능만을 억제하는 능력은 먼 별로의 우주여행을 달성하기 위한 중요한 열쇠를 쥐고 있다는 것입니다.

그러나 불행히도 인간은 동면하는 동물이 아니라서 '어떻게 인간을 안전하게 동면상태로 만들고 적절한 시기에 근육과 뼈를 약화하지 않고 기상시킬 수 있을까'라는 새로운 과제가 있습니다. 그래서 연구자들이 주목하고 있는 것이 인간과 생물학적으로 유사한 영장류이면서 동면을 하는 난쟁이 여우원숭이과의 회색쥐리머라는 동물입니다.

 
회색쥐리머의 독특한 특징은 식량이 줄어들고 기온이 추워지면 '체온을 크게 낮추지 않고도 동면상태에 들어갈 수 있다'는 점입니다. 많은 포유동물은 동면상태의 체온이 10도 이하로 떨어집니다만, 인간이 10도 이하의 체온으로 생명을 유지하는 것은 어렵습니다. 한편 회색쥐리머처럼 체온을 유지한 채로 동면할 수 있다면, 동면중의 생명유지가 쉬워집니다.

체온의 저하없이 동면하는 회색쥐리머의 특수한 능력을 떠받치고 있는 것은 유전자 코드 자체를 변경하지 않고 유전자 발현을 조절하는 마이크로RNA입니다. 회색쥐리머가 유전자 발현의 조절에 사용하는 마이크로RNA 전략을 이용하면 인간의 동면을 도울 수 있는 가역적인 변화를 얻을 수 있을지도 모른다고 합니다.

연구자들은 생명을 유지하기 위해 어떤 생물학적 과정을 계속할지, 그리고 에너지를 절약하기 위해 어떤 과정을 차단할지를 규명하기 위해, 이를 제어하는 마이크로RNA의 구조를 조사하고 있습니다. 지금까지의 연구에서 일부 마이크로RNA는 동면하는 동안 근육의 소모를 억제하고 세포 사멸을 막으며 불필요한 세포증식을 감속 또는 정지하거나 당을 지방으로 전환한다는 것을 밝혀냈습니다.

마이크로RNA는 어디까지나 인간의 동면을 해결하는 퍼즐의 일부에 지나지 않으며, 연구자들은 회색쥐리머가 세포를 스트레스로부터 보호하는 방법과 동면에서 생존하기 위한 에너지를 축적하는 방법에 대해서도 조사하고 있다고 합니다. "인간에게 실행가능하다고 주목받고 있는 RNA기반의 새로운 개입에 우리의 연구가 기여하기를 기대합니다"라고 연구진은 말합니다.