d라이브러리

21세기에 인류가 해결해야할 문제 중 하나는 에너지다.세계적으로 전력소비량은 늘어나지만 전기를 만드는 에너지원인 석유나 천연가스는 점점 고갈될 위기에 처해있다.만약 더운 여름철에 전기가 나간다면 어떻게 할까.

어드벤처1 숯 전지 만들기

찌는 듯 무더운 여름날.각 가정과 사무실에서 사용하는 에어컨으로 순간 최대 사용 전력량이 최고값을 갱신하더니 드디어 과부하가 걸려 전기공급이 중단되고 말았다.

“오빠! 이 더위를 물리칠 방법이 없을까?”

더위에 지친 슬기가 모험이에게 말했다.

“어떤 방법이 있을까? 선풍기를 만들어볼까?”

이같은 모험이의 대답에 슬기는 의문을 던졌다.

“전기가 없는데 어떻게 가능해?”

모험이는 곰곰이 생각하더니

“슬기야! 엊그제 갈비 구워먹을 때 썼던 숯 좀 가져올래.”

모험이가 생각해낸 전기발생장치는 무엇일까.

왜 그럴까?!

■ 숯 전지는 알루미늄 포일이 (-)극, 숯이 (+)극으로 작용하는 일종의 화학전지다.

먼저 알루미늄이 이온으로 되면서 전자를 방출한다. 즉 알루미늄이 이온으로 되면서 소금물에 녹아 들어가게 되는데, 숯 전지를 여러 시간 사용한 다음, 숯에 감겨있는 알루미늄 포일을 벗겨보면 너덜너덜하게 돼 있는 것을 확인할 수 있다. 또한 벗긴 알루미늄 포일을 빛에 잘 비추어보면 무수히 뚫려있는 아주 작은 구멍을 찾을 수 있다.

알루미늄이 양이온이 되면서 생긴 전자는 도선을 통해 (+)극인 숯으로 이동한다. 전류가 흐르는 것이다. (+)극인 숯에서는 소금물에 젖은 화장지로 인해 물이 이온화돼 발생한 수소 이온과 결합한다.

따라서 전지에서 일어나는 반응식은 다음과 같다.

음극: AI→A${I}^{3}$ + 3e-
양극: 2H+ + 2e- → ${H}_{2}$

어드벤처 2 필름통 전동기

모험이가 만들어낸 숯 전지에 탄복한 슬기.

이에 질세라 슬기는 자신이 선풍기를 돌릴 수 있는 전동기를 직접 만들어보겠다고 나선다. 필름통과 몇가지 재료만으로 전동기를 만들겠다는 자신감을 모험이에게 보여줬다. 슬기가 보여줄 필름통 전동기는 어떤 것일까.

왜 그럴까?!

■ 자기장 속을 지나는 도선에 전류가 흐르면 도선 주위에는 자기장이 생긴다. 이 자기장은 원래 자석이 만드는 자기장으로부터 영향을 받는다. 따라서 두 자석을 가까이 할 때 서로 밀어내거나 끌어당기는 힘이 생기는 것과 같이, 전류가 흐르는 도선은 자석의 자기장 속에서 힘을 받아 움직이게 된다. 이와 같이 자기장 속에서 도선에 전류가 흐를 때 도선이 받는 힘을 전자기력이라고 한다.

이때, 도선이 자기장 속에서 받는 힘의 방향은 오른손을 이용하면 쉽게 알 수 있다. 오른손의 엄지손가락을 다른 네 손가락과 직각이 되도록 편다. 이때 엄지손가락은 전류의 방향, 다른 네 손가락은 자기장의 방향을 가리키도록 하면, 손바닥에서 수직 위쪽으로 나가는 방향이 도선이 받는 힘의 방향이 된다.

전자기력을 이용해 계속 회전할 수 있도록 만든 장치가 전동기이다. 전자기력의 원리를 적용해서 필름통을 이용한 전동기를 만들 수 있는 것이다.

전류가 흐를 때 코일의 왼쪽은 안쪽을 향하는 힘을 받고, 코일의 오른쪽은 바깥쪽을 향하는 힘을 받아 코일이 시계 방향(위에서 볼 때)으로 회전한다(그림).

그런데 코일의 에나멜이 완전히 벗겨져 있다면 180˚회전해 왼쪽의 코일이 오른쪽에 왔을 때 여전히 안쪽으로 향하는 힘을 받아 되돌아가고 만다. 즉 코일은 회전하지 못하고 왔다갔다 하는 운동만 반복하게 된다. 따라서 코일이 180˚회전하였을 때 전류가 흐르지 않고 관성에 의해 계속 회전할 수 있도록 해주면 된다. 이것이 에나멜을 반만 벗기는 이유다.

어드벤처 3 태양열로 바람개비를 돌려라

숯 전지와 필름통 모터를 만드는데 성공한 모험이와 슬기. 시원한 바람을 맞으며 쉬다가 모험이는 어느 순간 잠에 빠져들었다.꿈에서 모험이는 전기가 나간 상황을 다시 맞는다. 그런데 아무리 살펴봐도 숯이나 모터를 만들 수 있는 재료가 보이지 않는다. 어찌할 바를 몰라 헤매는 모험이 앞에 슬기가 나타난다.

“오빠! 뜨거운 태양을 이용하면 돼. 태양열로 돌아가는 바람개비를 만들어봐.”

태양으로 돌아가는 바람개비. 어떻게 가능할까.

왜 그럴까?!

■ 물체의 색에 따라 흡수되는 태양 에너지의 양은 다르다. 그 중에서도 검은색은 다른 어떤 색보다도 태양 복사 에너지를 많이 흡수하고 반대로 흰색은 복사에너지를 반사하는 양이 다른 어떤 색보다도 많기 때문에 흡수는 가장 적다. 따라서 열을 잘 흡수하도록 알루미늄 깡통을 검은색으로 칠한다.

그렇다면 어떻게 알루미늄 포일 바람개비가 돌아가는 것일까. 태양에너지를 흡수하는 깡통 안의 공기는 가열된다. 따라서 공기의 밀도가 작아져서 주변의 공기보다 가벼워진다. 그래서 위로 떠오르게 된다. 상승한 공기는 깡통의 위쪽 구멍으로 빠져 나오게 된다. 다시 뚫려 있는 아랫부분으로 공기가 들어가 가열되고 위로 올라간다. 이런 공기의 흐름이 계속돼 바람개비가 돌아가는 것이다. 즉 알루미늄 깡통에 흡수된 태양 에너지가 바로 바람개비를 돌리는 바람 에너지로 전환된 것이다.