Transcript 광 전도체란?
8. 전기와 자기력 전자기력은 늘 우리의 주변에 있다. 이 힘들은 우리의 일상생활에 쓰이는 기계들에 중요한 역할을 하며 기술산업에 중요하다. 이 장에서는 전하와 자극의 개념과 이 둘간의 유사점과 차이점을 소개한다. 또 전자기력의 두 가지 형태의 힘과 관계를 알아보고 이 들이 서로 독립적이 아니라는 것을 보일 것이다. 8.1 전기 공기 청정기 8.2 복사기 8.3 자기부상열차 8-1 전기 공기 청정기 질문: 1. 먼지는 어떻게 해서 공중에 떠 있을 수 있으며 왜 중력에 의해 떨어지지 않는가? 2. 중력이 공기를 깨끗하게 할 수 없다면 다른 힘들은 어떻게 해서 공기를 깨끗이 할 수 있는가? 3. 새로 빨래한 젖은 옷들은 왜 서로 달라붙지 않는가? 실험: 정전기는 풍선을 머리카락이나 모직으로 된 옷에 마찰시킬 때 발생한다. 그런 풍선은 외형으로는 달라진 것이 없지만 머리카락을 끌어당긴다. / 풍선과 머리카락에는 어떤 일이 일어났는가? / 왜 풍선은 문지르지 않은 것들도 끌어당기는가? 똑 같은 풍선 두 개를 머리카락에 문지른 다음 이 풍선들이 서로 끌어 당기는지 밀어내는지 알아보자. / 이 결과를 설명할 수 있겠는가? • 먼지와 전하 – 먼지는 공중을 떠 다니는 것이 아니다. 먼지는 공기보다 더 밀도가 높아 땅 위로 떨어진다. 다만, 공기 저항 때문에 잘 가라앉지 않는다. 공기 중에서 먼지가 느리게 낙하하므로 중력으로만 먼지를 없애기는 힘들다. 정전기력과 같은 더 강한 힘이 필요하다. : 정전기는 전하에 의해 비롯된다. 전하에는 양전하와 음전하가 있고, 두 개의 같은 전하는 서로 밀어내며, 두 개의 다른 전하는 서로 끌어 당긴다. 이러한 정지된 전하 사이의 힘을 정전기력 이라고 한다. -- 정전기력의 예: 머리빗에 달라붙는 머리카락 자동차/문 손잡이 풍선을 문지르면 달라붙는 종이 공기 청정기 -- 떨어지지 않는 공기를 한 방향으로 잡아 끌기 위해서 중력보다 강력한 힘이 필요. 대개의 공기청정기는 각각의 먼지가 음으로 대전되게 하고, 대전된 표면위로 먼지를 모은다. 그렇다면 먼지가 어떻게 음으로 대전 되는가. : 음으로 대전된다는 말은 먼지 알갱이가 어떠한 양전하도 포함할 수 없다는 것을 의미하지는 않는다. 물체의 알짜전하를 얻기 위해서는 구성하고 있는 전하들을 단순히 더하면 되는데, 입자에 음전하를 가한다는 것은 입자의 순 전하가 음이라는 뜻이다. : 전하는 보존되는 양으로 생성되거나 소멸될 수 없고 단지 한 물체에서 다른 물체로 이동할 뿐이다. : 알짜전하가 0일 때 먼지알갱이는 전기적으로 중성이라고 한다. 알짜전하가 정확히 0으로 되도록 하는 것은, 전하는 항상 전하의 기본단위인 특정양의 정수 배로 나타나기 때문이다. ( 기본전하: 1.6x10-19C, 전자 -1 기본전하, 양성자 +1 기본전하.) *음으로 대전된 전자를 먼지알갱이에 전달하거나 먼지알갱이로부터 양으로 대전된 양성자를 다른 곳으로 옮기든지 하여, 먼지알갱이의 전하균형이 깨져 알짜 음전하로 대전되게만 하면 된다. -- • 정전기력으로 먼지 모으기 / 음으로 대전된 먼지는 양으로 대전된 표면을 지날 때 정전기력을 받아, 표면 (집진 판)에 모인다. 이 때 자연히 먼지와 집진 판은 곧 전기적으로 중성이 된다. / 이 기계를 계속해서 작동시키려면 집진장치는 전원공급기를 써서 집진 판으로 들어 오는 먼지의 양전하를 계속해서 다른 곳으로 옮겨야 한다. 집진장치의 전원공급기는 음으로 대전된 먼지에서 멀리 떨어지도록 양전하를 끌어당겨 양으로 대전된 집진 판으로 밀어낸다. 전원공급기가 단위 전하에 대해 한 일의 양을 전압이라고 한다. • 전압(Voltage) 전압: 특정 위치에서의 단위 양전하의 정전기 위치 에너지. 멀리 있는 전기적으로 중성인 물체로부터 단위 양전하를 그 위치로 옮기기 위하여 그 양전하에 해야 하는 일. (단위: 에너지/단위양전하, J/C=V, 볼트) 실질적 개념: 초기 위치에서 최종위치로 옮기는데 해야 하는 일, 전위차 예: 1C의 전하를 옮기는데 100J의 에너지가 든다면, 최종위치의 전압은 초기위치의 전압보다 100V높다. :보통의 건전지는 퍼 올리는 단위 전하에 대해 1.5J의 일을 하므로 양극의 전압은 음극보다 1.5 V 더 높다. : 정전기 집진장치의 먼지와 집진판 사이의 전위차는 10000V 이상이 된다. • 먼지 대전 시키기 /코로나 방전: 여러 같은 전하들이 표면 위에 함께 묶여 있을 때 전하들의 강한 척력은 전하들의 일부를 표면 밖과 통과하는 기체 분자와 먼지 알갱이 쪽으로 밀어 내는데, 표면에서 가까운 기체나 먼지로의 이러한 전하의 흐름을 코로나 방전 이라고 한다. 코로나 방전은 날카로운 금속 끝이나 가느다란 금속선 주위에 쉽게 형성된다. 금속 점이나 전선 위에 같은 전하를 모아 놓으려면, 에너지가 필요하므로 코로나 방전을 위해서는 전원공급기가 필요하다. 코로나 방전은 같은 전하들을 매우 단단하게 채워 마지막 남은 소수의 전하들을 금속위로 밀어내는 데에 많은 일을 한 후에야 시작된다. 양 전하의 코로나 방전이 시작될 때 금속 표면 위의 양전하는 큰 정전기 위치 에너지를 가져 그 표면에서의 전압은 대략 10000 V 까지 된다. (음 전하의 코로나 방전의 경우 -10000V) / 코로나 방전에 의하여 금속을 떠난 전하들은 먼지입자들에 붙어 먼지 입자들을 대전시킨다. / 쿨롱의 법칙: 한 쌍의 전하 사이에 작용하는 힘의 크기는 두 전하 사이의 곱을 두 전하 사이의 거리의 제곱으로 나누고 쿨롱 상수로 곱한 것과 같다. 두 전하의 부호가 같으면 그 그 힘은 척력이고, 부호가 반대이면 인력이다. k: Coulomb 상수 • 이온발생기 이온발생기는 코로나 방전을 이용하여 지나가는 분자와 먼지 알갱이를 대전시켜 그 때 대전된 입자 또는 이온들을 실내의 여기저기에 떠다니도록 한다. 대전된 이온 들은 분극 에 의하여 중성인 벽에 붙는다. 이해도 확인 4 건조대에서 양말을 꺼내면 양말은 무엇에든지 달라붙는다. 이 양말이 벽에 달라 붙거나 실 보푸라기 조각을 끌어 당기는 이유는 무엇인가? 8-2 복사기 질문: 1. 정전기를 어떻게 이용하면 탄소가루를 종이 위의 원하는 위치에 놓을 수가 있을까? 2. 어떻게 하면 종이 위에 정전기를 띠게 할 수 있을 까? 3. 종이 위에 글자가 나타나게 하려면, 정전기가 어떻게 분배되어야 하는가? 4. 복사기에서 원본의 복사물을 만들어내기 위하여 빛이 정전기에 하는 작용은 무엇인가? 실험: /복사기의 작동원리에 대한 개념을 알기 위해서, 작은 종이를 1 mm 정도의 크기의 사각형으로 잘게 자른다. /네모난 종이 조각들을 책상 위에 놓고 투명한 얇은 플라스틱 판을 몇 mm 위로 가까이 가져간다. /이제 플라스틱 빗을 머리카락이나 스웨터에 몇 번 비빈 다음 그 빗을 플라스틱 판의 윗면에 대어보자. /네모난 종이 조각들이 책상 위에서 떨어져 나와 플라스틱 판에 달라붙는다. / 이 종이 조각들이 이렇게 매달려 있는 것은 무엇 때문인가? • 정전기 제어:고체의 전자 – 건식복사기의 핵심은 복사기가 정전기의 위치를 제어하는데 쓰는 얇은 광 전도체 막이다. : 광 전도체란? 이 전도체는 빛에 노출 되었을 때만 전하를 이동시킬 수 있는 고체 재질로서 빛을 받지 않을 때는 전하의 이동을 막는 전기적 절연체 이지만, 빛을 받으면 전기적 도체로 되어 전하가 이동할 수 있는 재료이다. 어두운 부분 빛 • 고체의 전자 – 전자는 고체 내에서 가장 유동적인 하전 입자이고, 전기의 주요한 전달자 이다. 고체의 성질 (도체, 절연체, 반도체, 광 전도체 등)을 결정하는 주요한 요인은 고체 내의 전자이다. .원자에 있는 하나의 전자는 양자물리학이 허용하는 단 하나의 경로만을 통해 핵 주위를 돌 수 있다. 이를 괘도라 한다. .전자는 두 개의 가능한 내부 상태 (spin-up, spin-down)를 가지며, 각각의 상태의 전자는 구별 되므로, 파울리의 배타성 원리에 의해, 같은 괘도를 공유할 수 있다. 두 개의 전자만이 각각의 준위를 공유하기 때문에 전자들이 모두 가장 낮은 준위에 있을 수는 없고, 가장 낮은 준위부터 두 개씩 채워 올라간다. .들어갈 수 있는 가장 높은 에너지 준위를 페르미준위 라고 한다. • 금속, 절연체, 그리고 광 전도체 / 실제 고체 안에서의 전자에 있어서, 원자의 궤도에 해당하는 경로는 띠 (bands)라고 불리 우는 군의 형태의 에너지 준위를 갖는다. 띠 안의 준위들은 유사한 궤도들을 포함 하기 때문에 비슷한 에너지를 가지고 있다. 이 띠들 사이에는 준위가 전혀 존재하지 않는 금지대 (bands gap)라는 에너지 차이가 띠엄 띠엄 존재한다. / 띠와 금지대의 에너지 차이로 금속과 절연체, 광 전도체가 구별된다. /금속: 페르미 준위가 띠의 중간에 존재한다. 띠의 빈 준위가 채워진 준위의 바로 위에 있기 때문에 전자가 채워진 준위에서 빈 준위로 올라가는데, 매우 적은 에너지만 있어도 된다. 양전하를 금속의 왼쪽에 놓고, 음 전하를 오른 쪽에 놓으면 전자는 왼쪽으로 전기력을 받고, 왼쪽으로 움직인다. 전자의 이동에 필요한 에너지는 정전기력에 의해 얻어지고, 전자는 왼쪽으로 빠져나가게 되어 금속은 전기가 통한다. (전도체) /절연체: 페르미 준위가 띠의 가장 위에 놓여 있고, 그 띠 간격은 매우 크다. 전자를 가득찬 준위( 가전자대) 에서 빈 준위(전도대)로 올리려면, 엄청난 에너지가 필요하며, 정전기력으로는 부족하다. 때문에 절연체에서는 순 전하의 흐름이 생기지 않으며, 전도 성이 없다. / 광 전도체: 전자가 필요한 만큼의 어떤 에너지를 공급 받으면 가전자대에서 전도대로 올라 갈 수 있다. 이 에너지의 하나는 빛이다. 절연체가 적당한 에너지(진동수)의 빛을 공급 받으면, 그 빛은 전자를 가전자대에서 전도대로 이동시킬 수 있다. 이 경우 정전기력에 의해 전자의 이동이 가능하다. 이와 같이 빛은 절연체를 전도체로 바꿀 수 있으며, 이를 광 전도체라 한다. 이해도 확인 1 만약 어떤 하나의 전자가 중성을 띤 다른 금속 구에 보태진다면 전자는 어느 준위로 가겠는가? • 건식복사 (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) (i) 코로나 방전을 이용하여, 광 전도체의 표면을 음전하를 띠게 한다. 이 때 광 전도체의 다른 한 쪽은 금속 표면에 접지 되어있다. 따라서, 이 면의 전자들은 금속을 떠나 지구로 흐른다. 그 결과 금속 부분은 알짜의 양전하를 띠게 된다. 원본의 서류에서 나오는 빛 ( 원본의 흰 부분에 일치) 에 노출시킨다. 빛에 노출된 부분의 전하가 흐르고, 전기적으로 중성이 된다. 광 전도체를 양의 전하를 띤 토너 입자에 노출 시킨다. 토너 입자가 광 전도체에 부착된다. 복사본을 종이 위에 옮기기 위해, 전하소거 램프를 쬔다. 토너는 매우 약하게 들러 붙어 있는 상태가 된다. 음전하를 종이 뒤에 인가 함으로써 토너를 종이 위에 옮긴다. 복사본을 가열 압착하여 토너가 영구히 종이 속으로 녹아 들어가게 한다. 8-3 자기부상열차 전기장 자기장 자이로드롭 • 자기부상의 필요성 / 높은 속력에서는 철로와 바퀴 사이의 마찰로 운행하는 방식에 여러 가지 문제점이 나타난다. 역학적 마모, 안정성 문제. (한계: 320 Km/h) • 자기력으로 기차 떠 받치기 자극 : N (북극), S (남극) 자기 쌍극자(magnetic dipole)로 존재 정자기력: 반대의 극끼리는 끌어당기고, 같은 극끼리는 밀어내며, 자기력의 크기는 거리의 제곱에 반비례한다. 전기와 자기는 각각의 장, 즉 전기장과 자기장에 의해 연결되어, 서로를 유도할 수 있다. (자기장: 고립된 N극(존재한다면)이 그 점에서 받는 힘의 방향과 크기) 자기장을 만드는 전기 현상: 움직이는 전하, 시간에 따라 변하는 전기장. 전기와 자기 • 전기자기: James Clerk Maxwell에 의해 이론이 완성. • 전류가 원형 도선을 따라 흐를때 자석의 남극과 북극이 만드는것과 동일한 자기장을 만든다. • 자석은 항상 남극/북극이 동시에 존재한다. (magnetic monopole이 존재하지 않는다.) • 영구자석스핀(spin)전자의 각 운동량과 관련각각의 전자가 작은 전류가 흐르는 고리역할 • 대부분의 물질전자의 회전이 모든방향으로 동일 • 영구자석전자의 회전이 일정한 방향을 나타내는경우 N S N S • 안정성 / 영구자석을 이용한 부상구조의 문제점: 1. 자석으로 덮힌 철로는 쇠나 강철같은 자기물질을 끌어당겨 자주 청소를 해야한다. 2. 다른 자석 위에 떠 있는 자석은 불안정한 평형상태에 있다. : 어떠한 전하의 배열도 정전기적 힘만으로는 안정한 평형상태에 있을 수 없다. 자극의 어떠한 배열도 정자기력의 결과로 안정한 평형상태에 있을 수 없다. (Earnshaw’s Theorem) • 궤환 (feedback) / 전자석을 이용할 경우: 전자석은 전류가 흐를 때만 자성을 띠는 코일이기 때문에, 전류를 통제( 궤환)함으로써 자기부상을 안정화 할 수 있으나, 매우 복잡한 통제 시스템과 거의 완벽한 기차와 철로를 필요로 한다. 전자석을 더욱 강하게 만들기 위해, 코일의 전선은 대게 쇠나 다른 물질에 감겨져 있다. • 교류에 의한 자기부상 / 전자기 유도를 이용하여, 전도성 표면이 일시적으로 자성을 띠도록 한다. /전자기 유도(Electromagnetic Induction) : 시간에 따라 변화하는 자기장이 전기장을 만든다. (패러데이) 변화하는 자기장이 전기도체 내부에서 변할 때, 자기장이 전기장을 만들고, 이 전기장이 도체의 이동 전하를 밀면 전류를 형성한다. 즉, 자기 장의 변화가 전류를 유도한다. • 교류에 의한 자기부상 /렌츠의 법칙: 변화하는 자기장에 의하여 유도된 전류는 언제나 그 변화에 반대되는 방향으로 자기장을 만든다. (전자석을 밀어내는 방향) / 렌츠의 법칙 때문에 가벼운 전자석은 금속판 위에 뜰 수 있다. 특히, 이 자기부상 열차는 모든 방향에서 안정할 수 있다. 금속판을 사발 모양으로 하면 전자석은 사발 중심에 떠 있을 것이다. 복원력작용. 전류와 자기장은 금속에서 움직이는 대전입자의 마찰 효과 때문에 차츰 사라진다. 이를 극복하기 위해, 주기적으로 전류의 방향을 바꾸어 준다. (교류) 문제점: 이 경우,전류와 전자석은 전기에너지를 열 에너지로 바꾸어주는 마찰 효과로 인해, 전기에너지의 계속적인 공급을 필요로 하므로, 상당히 많은 전력과 비용이 필요하다. 이해도 확인 4 산업에서 일반적으로 사용되는 유도 전기로 에서 어떤 금속조각을 강한 전자석의 안쪽이나 근처에 놓고 전자석에 흐르는 전류의 방향이 빠르게 바뀌면 이 금속은 매우 뜨거워진다. 왜 그런가? • 전기역학적 부상 / 영구자석이 금속표면을 빠르게 움직이면 자기장이 변하여 금속 에 전류가 유도되어, 이 금속은 자기를 띠게 되고, 움직이는 자석을 밀어낸다. 금속 표면의 자화 된 영역은 영구자석과 같이 움직인다. / 영구자석은 무겁고 비싸므로 자기부상에는 전자석이 많이 쓰인다. 대부분의 고효율 전자석에는 초 전도체로 만들어진 특수한 전선을 사용한다. 초 전도체를 이용하면, 처음 조립공장에서 전류가 기차의 초 전도체 자석에 투입된 후, 초 전도 고리가 닫혀지면, 더 이상의 전력을 필요로 하지 않는다. 단 자석을 차갑게 하기 위한 냉각장치가 필요할 뿐이다. / 자기견인력: 기차에 작용하는 앞뒤 자기력의 총합. 기차 자석의 전방에 있는 철로의 극들은 상대적으로 강하지만, 뒤에 있는 철로의 극들은 전에 생성되었으므로 그 극들을 만드는 전류가 에너지를 잃었기 때문에 더 약하다. 따라서, 뒤에 있는 극들 보다 앞에 있는 극들로 부터 더 강한 척력을 받기 때문에 기차는 뒷 방향으로의 힘을 받는다. 자기 견인력은 속력이 증가함에 따라서 감소한다. (자기견인력은 30km/hr에서 가장 크고, 300Km/hr에서는 무시할 수 있다.)