d라이브러리

전기는 어떻게 만들어지는 것일까요? 전기는 꼭 발전소에서만 만들 수 있는 것이 아닙니다. 적은 용량의 전기는 가정에서도 쉽게 만들 수 있습니다. 최초의 전기는 어떻게 만들어졌으며 전기를 만드는 방법에 대하여 살펴봅시다.

사과나 귤에 이온화되는 정도가 다른 두 금속, 즉 마그네슘판과 구리판을 과일에 꽂고, 양쪽 극을 도선으로 연결한 후 발광 다이오드에 연결하면 다이오드에 불이 들어오는 것을 볼 수 있습니다. 이는 과일 속에 타르타르산이나 말산이 전해질 역할을 하고 있기 때문에 화학전지가 형성돼 기전력이 생긴 것입니다. 여기에 사용하는 과일로는 감자 토마토 레몬 호박 바나나 등 가정에서 흔히 볼 수 있는 것이나 야채를 사용해도 발광 다이오드에 불이 들어오는 것을 볼 수 있습니다.
 

교류 발전기와 직류 발전기

전선을 감아서 코일을 만들고 막대 자석을 코일 속에 넣었다 빼었다 하면 코일에 전기가 발생돼 전류가 흐릅니다. 이때 코일에 발광다이오드를 연결하면 불이 들어와 전류가 흐르는 것을 확인할 수 있습니다. 발전기의 원리는 코일을 지나는 자기장의 방향이 변함에 따라 코일에 기전력이 생겨 전기를 흐르게 하는 현상을 이용한 것입니다.

코일 다발을 감고 그 안에서 자석을 회전시켜주면 자기장의 변화로 코일에 전류가 유도됩니다. 이 전류를 끌어내 발광 다이오드에 연결하면 불이 들어오는 것을 확인할 수 있습니다.

이렇게 해서 생긴 전류가 교류이며 전류의 파형은 사인파가 됩니다. 교류 발전기에 정류자(整流子)와 브러시를 장치해서 전류를 순간적으로 끊어지게 하면 외부 회로에 흐르는 전류의 방향은 변하지 않고 항상 일정한 방향으로 흐르는 직류를 얻을 수 있습니다.

직류는 시간이 지나도 전류 파형의 크기와 방향이 변하지 않고 일정하나, 교류는 전류 파형의 크기와 방향이 주기적으로 변화합니다.
 

최초의 화학전지 볼타 전지

화학전지는 이탈리아의 과학자 볼타가 처음으로 만들었습니다. 묽은 황산 용액에 아연판(Zn)과 구리판(Cu)을 담그고 도선으로 연결, 두 금속 사이에 전류를 흐르게 한 것입니다. 볼타 전지는 이온화되기 쉬운 아연판을 (-)극으로, 이온화되기 어려운 구리판을 (+)극으로 하여 묶은 황산 용액에 담그고, 그 금속판을 도선으로 연결한 것입니다. 보통 아연판과 구리판에 의해 생기는 기전력은 1.09V 정도 됩니다. 꼬마 전구의 불빛은 처음에 밝다가 시간이 지나면서 흐려지는 것을 볼 수 있습니다. 이것은 구리판에서 수소 기체가 발생해 구리판을 둘러싸 전자의 이동을 방해하기 때문에 나타나는 현상입니다.
 

유도 전류로 꼬마 전구에 불켜기

코일을 수백번 감아서 코일 다발을 만듭니다. 꼬마 전구를 연결한 2차 코일을 거의 같은 횟수로 감아 준비합니다. 1차 코일은 1백10V 교류에 연결한 다음 다른 2차 코일 다발을 1차 코일 다발 위에 가까이 접근시켜 봅니다. 그러면 어떤 현상이 나타날까요?

1차 코일에 연결된 꼬마 전구에 불이 들어오게 됩니다. 어떻게 전원과 전혀 연결되지 않은 2차 코일에 전류가 흘러 꼬마 전구에 불이 들어올까요?

원리적으로 1차 코일이 교류에 연결돼 있고 교류의 방향이 시간에 따라 연속적으로 변화하므로 자기장의 변화가 생기고 이러한 자기장의 변화가 2차 코일의 자기장에 변화를 주어 전류가 흐르기 때문입니다. 이 때 생기는 유도 전류의 세기는 코일의 감은 횟수와 자기장의 변화량에 비례합니다.

따라서 1차 코일에 가까이 접근하면 자기장의 변화를 많이 받게 되므로 꼬마 전구의 불빛이 밝아지고 멀리 떨어지면 자기장의 변화를 받지 않으므로 꼬마 전구에 불이 들어오지 않게 되는 것입니다.

그러면 1차 코일 위에 책이나 다른 물체를 올려 놓고 2차 코일을 가깝게 접근시키면 어떻게 될까요? 실제 실험해보면 1차 코일의 자기장이 책을 통과해 2차 코일의 자기장에 변화를 주기 때문에 마찬가지로 꼬마 전구에 불이 들어 오게 됩니다.

2차 코일을 비커의 물속에 집어 넣은 다음 1차 코일에 올려 놓으면 어떻게 될까요? 마찬가지로 2차 코일에 불이 들어오는 것을 볼 수 있습니다. 자기장은 또한 물 속을 자유스럽게 통과하기 때문에 물 속에서도 자기장의 변화가 생겨 전류가 흐르게 되는 것입니다.

볼타 전지에 2차 코일을 연결하고 1차 코일 위에 올려 놓으면 불빛의 밝기는 어떻게 될까요? 여러분이 직접 실험해 본다면 훨씬 재미있을 것입니다.