노력하는 천재 에디슨. 그는 어두운 밤에 반딧불이 아닌 전구를 켜고 책을 읽을 수 있는 기쁨을 줬다. 탄생 1백50주년을 맞아 에디슨 전구를 만들어 본다.
인간은 잠을 자지 않고 살 수 없다. 그러나 인간 스스로 잠을 없앤 발명품이 있다. 그것은 바로 백열 전구. 작은 발명품이었으나 인간의 역사를 크게 발전시킨 물건이다. 백열전구는 제작과 완성에 이르는 과정이 매우 험난했다고 한다. 에디슨 탄생 1백50주년을 맞아 에디슨 전구의 제작과정을 재현해 본다.
실험1
연필심으로 불을 켤 수 있을까?
■왜 그럴까?
1.5V 건전지 1개로는 연필심이 빛을 내지 않는다. 빛을내기 위해서는 충분히 에너지가 공급돼야 하기 때문이다. 전압이 높아짐에 따라 연필심은 빨개지고 밝은 빛을 낸다. 그러나 연필심은 쉽게 끊어진다.
연필심의 재료인 흑연은 전류가 흐를 수 있는 도체다. 연필심이 붉게가열되면 공기 중의 산소와 쉽게 반응해 이산화탄소로 변하므로 점차 얇아진다. 얇아진 연필심은 저항이 커지므로 더욱 밝게 빛난다. 왜냐하면 전압이 일정할경우 비례하기 때문이다. 따라서 끊어지기 직전의 연필심은 눈이 부실 정도의 빛을 낸다.
실험을 통해 연필심이 전구의 필라멘트가 될 수 있음을 보았다. 에디슨도 연필심을 이용해 필라멘트를 만들었을까? 어떤 재료로 만든 필라멘트가 가장 좋을까? 다음의 실험을 통해 알아보자.
실험2
에디슨의 필라멘트 만들기
■왜 그럴까?
나무를 태우면 숯이 남는다. 공기 중에서 숯을 계속 가열하면 다 타버린다. 따라서 숯을 만들 때는 공기를 차단해야 한다. 알루미늄 포일로 재료를 감싸고 가열하는 이유가 바로 이것. 그냥 태워서 만든 숯은 알루미늄 포일로 감싸서 가열한 숯보다 단단하지 않다. 왜냐하면 알루미늄 포일로 공기를 차단하지 않으면 가열시 가연성 기체가 나오는 동시에 만들어진 탄소도 타버리기 때문이다. 그냥 태워서 만든 숯은 전기를 통하지만 단단하지 못해 필라멘트의 재료로 적당하지 않다.
에디슨은 수천 가지의 재료를 이용해 필라멘트를 만들려고 노력했다. 심지어 무명실이나 머리카락 등을 이용해 보기도 했다. 그는 단단한 재료를 백방으로 찾다가 대나무로 만든 것이 가장 좋다는 것을 깨닫고 대나무 필라멘트를 만들게 되었다. 에디슨이 만든 대나무 필라멘트를 만들게 되었다. 에디슨이 만든 대나무 필라멘트 전구는 보관돼 지금까지 불을 밝힐 수 있다고 한다. 에디슨은 1880년 1월27일 미국의 특허를 얻어 전세계를 밝히는 영광을 얻었으나, 1911년 쿨리지가 텅스텐으로 만든 필라멘트를 완성시키면서 그 영예를 물려줬다.
에디슨이 시도했던 필라멘트들은 오래동안 사용할 수 없었다. 왜냐하면 공기 중에서 쉽게 타버리기 때문이다. 따라서 공기를 차단할 수 있는 방법으로 등장한 것이 전구 속으 산소를 제가하는 방법이 있다. 즉 진공을 만드는 것이다. 그러나 진공속에서는 필라멘트가 쉽게 기화하기 때문에 전구 내부가 더러워지고 필라멘트도 쉽게 끊어진다. 그 결과 전구 속에서 필라멘트와 반응하지 않는 아르곤기체가 사용되기 시작했다.
액체질소 전구
■왜 그럴까?
공기를 차단시키는 방법으로 질소를 사용했다. 질소는 공기 중에 80%가 있으나 질소만 모으기는 어렵기 때문에 액체질소를 사용한다. 기화하는 질소 속에서는 필라멘트의 불을 계속 밝힐 수 있다. 만일 이같은 방법으로 만들어진 전구가 있다면 최고로 비싼 전구가 될 것이다.
액체 질소 속에 있는 필라멘트는 높은 전압에서도 쉽게 끊어지지 않는다. 왜냐하면 공기가 차단된 상태에서 액체 질소(끊는점 -196℃)가 필라멘트의 열을 식혀주기 때문이다.
