일상 속의 물리학

일상 속의 물리학

세드리크 레이ㆍ장클로드 푸아자 지음

에코리브르 / 2009년 8월 / 232쪽 / 18,000원



백열전구



예로부터 인간은 어둠에 대한 두려움으로 횃불, 기름 램프, 촛불 등을 활용하면서 늘 성능이 더 좋은 조명 시스템을 고안해 왔다. 그러다가 전기가 출현하면서 백열전구 덕에 인공조명의 혁명이 일어났고, 야간의 빛이 엄청나게 늘어났다.

빛 : 도대체 전구가 내는 빛의 성질은 무엇일까? 이 장에서는 빛의 파동성에 중점을 두어 빛을 하나의 파, 더 정확하게 말해서 하나의 전자기파로 간주할 것이다. 하나의 파는 그 주파수나 파장으로 특징지어질 수 있는데, 무지개 색깔, 그러니까 빨간색과 보라색 사이의 색상에 해당하는 좁은 주파수대를 일컬어 '빛'이라고 한다. 참고로 영국의 물리학자 뉴턴이 갖가지 업적을 남긴 이래, 우리는 태양이 방출하는 빛, 이른바 백색광에는 눈으로 볼 수 있는 색상 전체가 들어 있다는 사실을 알고 있다. 한편 태양광에는 가시광선 스펙트럼 이외에 자외선이나 적외선 같은 다른 전자기복사선들도 들어 있다. 이제 물질을 가열하면 어떻게 백색광과 유사한 빛이 만들어지는지 알아보자.

가열하여 빛이 나오게 하라 : 텅스텐 창살은 서로 결합되어 있는 일련의 원자들로 이루어져 있는데, 그 원자들은 중간쯤에서 진동한다. 그런데 그 창살에 열을 가하면 원자들이 더 많이 진동하고, 그 진동이 공기의 주요 성분인 산소와 질소 분자들에 전달된다. 그리고 이 분자들은 창살의 표면에서 받는 충격 때문에 속도가 더 빨라지면서 점점 전체 공기 분자들에 그 속도를 전하는데, 바로 이런 메커니즘으로 열전도에 의해 창살 주위의 공기에 열이 전달된다. 그리고 또 다른 한 현상에 의해 창살의 원자들이 가열로 얻었던 에너지를 밖으로 내보내게 되는데, 텅스텐 원자들은 전자기파, 특히 빛을 내보낸다. 그때 그 창살은 백열 상태가 되고, 이렇게 방출되는 빛은 여러 가지 파장, 다시 말해 여러 가지 색으로 구성되어 있고, 분포하는 파장에 따라 창살의 색이 결정된다.

백열전구 : 바로 이 백열 현상을 기반으로 하는 백열전구는 다음과 같은 몇 가지 요소로 이루어져 있다. ① 필라멘트 : 초기 전구는 탄소 필라멘트에 전류를 통하게 했는데, 20세기 초에 탄소가 텅스텐으로 대체되었다. 한편 필라멘트의 형태는 수명과 방출되는 빛을 개선하기 위해 수년에 걸쳐 변화했는데, 오늘날 60와트 전구의 필라멘트는 일반적으로 나선형으로 돌돌 말려 있으며, 지름이 25마이크로미터이고, 길이는 약 2미터이다. ② 유리구 : 유리로 된 구형의 외피는 필라멘트를 보호하며, 특히 산소를 차단해준다. ③ 비활성기체 : 전구 속에는 비활성기체나 비활성기체 혼합물이 들어있는데, 이것은 두 가지 구실을 한다. 첫째, 비활성이기 때문에 화학 반응으로 텅스텐 원자들과 결합하지 않아서 필라멘트의 연소를 막고, 둘째, 전구의 수명을 위협하는 현상인 텅스텐의 승화 작용을 억제한다.

한편 백열 상태에 이른 금속 필라멘트는 빛뿐만 아니라 적외선도 방출하여 전구의 유리를 가열하여 광효율이 낮다는 단점이 있다. 그래서 오스트레일리아, 미국의 캘리포니아, 캐나다, 유럽 등이 2012년까지 백열전구 사용을 완전히 금지하겠다고 하니 백열전구가 사라질 날도 머지않았다.

석영시계



진정한 의미의 시계가 출현한 때는 중세인데, 특히 17세기에는 네덜란드의 물리학자 크리스티안 하위헌스 덕분에 추시계의 정확도가 일상생활용으로는 만족할 만한 수준에 이르렀다. 그런데 1927년 석영 결정의 이용을 토대로 한 시계가 출현함으로써 정확도에 대한 우리의 요구가 급격하게 변화했다.

석영 : 석영은 무수규산(규소 산화물)으로 이루어진 결정 모양의 광물로, 자연 속에 존재한다. 그 밖의 여러 변종 광물이 이 석영에 속하는데, 그런 광물들은 불순물이나 다른 종류의 원소가 함유되어 있어서 색상 등 일부 특유한 속성을 부여하며, 가장 순수한 형태를 띠는 석영을 '수정'이라고 한다.

압전 효과 / 시간의 측정 : 피에르 퀴리와 자크 퀴리 형제는 기계를 이용해 석영 결정에 압력을 가하면 그 면들 사이에 전위차(즉 전압)가 발생한다는 사실을 밝혀냈다. 압전기 효과, 즉 압전 효과를 발견한 것이다. 한편 시간 측정은 모두 동일한 발상에 따르는데, 관건은 한 주기 현상을 찾아내는 것이다. 즉 연속적으로 일어나는 두 사건 간의 기간이 이른바 주기인데, 이것이 시간측정의 기본 단위이다. 그런데 시간을 측정하기 위해서는 정확하게 주기적으로 어떤 현상을 재현하는 시스템을 갖추어야 하는데, 이 시스템을 진동자라고 한다.

석영 뻐꾸기시계 : 석영시계에서는 진동을 하는 석영 결정이 바로 진동자인데, 이는 석영 결정에 짧은 시간 동안 전압을 가함으로써 석영 결정이 들뜬 상태가 되어 일정 기간 동안 역압전 효과에 의해 그 결정이 진동을 하게 되는 것이다. 그러고 나서 진동은 점차 약화된다. 이런 현상을 이해하기 위해 소리굽쇠가 탁자 모퉁이에 부딪힌 뒤 440Hz의 주파수로 상당 기간 동안 진동한다고 생각해보라. 그렇지만 석영에서는 그런 진동이 역으로 압전 효과를 일으켜 전압을 유발하고, 이런 전기진동이 집적회로에서 증폭된 다음 다시 석영에 가해져서 결국 결정은 자연스러운 진동수, 이른바 고유진동수로 규칙적으로 기계진동을 유지하게 된다. 참고로 대부분의 석영시계는 고유진동수가 약 32㎑가 되도록 결정이 깎여 있는데, 이는 1초에 3만2000번 진동한다는 의미다.

석영시계에는 무엇이 들어 있을까 : 석영시계는 최소한의 구성요소로 이루어져 있으며, 특히 생산비용이 저렴한데, 석영시계가 제대로 작동하는 데 꼭 필요한 네 가지 요소는 다음과 같다. ① 석영 결정 : 얇은 금속막으로 뒤덮여 있어서 깎여진 면들 사이에 전위차가 발생하며 그 전위차를 측정할 수 있고, 그 전체는 알루미늄 덮개의 보호를 받으며, 집적회로에 연결되어 있다. ② 전지 : 시계의 에너지원으로서 집적회로와 표시 장치에 에너지를 공급한다. ③ 집적회로 : 석영에서 일어나는 전기진동수를 헤아리고 그 신호수를 분할하여 표시 장치에 적합한 주파수를 되돌려 보낸다. 그리고 결정면들 위에 존재하는 전압을 강화하고 그 전압을 다시 결정의 가장자리에 가하면서 결정이 계속 진동하게 하는 것도 바로 이 회로이다. ④ 표시 장치 : 두 가지 유형, 즉 액정 화면과 시곗바늘 장치가 있다.

텔레비전



텔레비전은 영화와 마찬가지로 시각 인지 작용의 한 특성(상당히 빠르게 이어지는 영상을 우리 뇌가 동영상으로 해석하는 것)을 활용한 기계인데, 그 원리를 알아보자.

전하, 그리고 전기마당과 자기마당 : 근접해 있는 두 전하는 상호작용하여 각각의 신호에 따라 서로 끌어당기거나 밀쳐낸다. 실제로 한 전하에 의해 만들어진 전기마당은 다른 전하에 영향을 미치는데, 이 전기마당은 전하에 힘을 가하며, 자유로운 상태라면 그 전하는 가속된다. 그리고 움직이는 전하가 자기마당 속에 놓여 있는 경우 한 힘을 받는데, 그 힘 때문에 궤도가 편향될 수 있다. 그렇지만 자기마당은 전기마당과 달리 움직이지 않는 전하를 움직이게 할 수 없다는 점에 유의해야 한다. 이렇게 전기마당과 자기마당의 결합 작용으로 속도가 높아지고 편향되면서 결국 전자들이 움직이고 그 전자들에 일정한 궤도가 생기게 된다. 참고로 자기마당을 만드는 데는 이른바 전자석이 사용된다.

어떻게 영상을 만들까 : 금속 필라멘트를 가열하면 그 필라멘트가 연속으로 전자를 방출할 수 있는데, 전기마당이 이 전하들의 속도를 높이고, 그때 이 전하들로 전자빔이 구성된다. 한편 어떤 영상을 얻기 위해서는 화면에 충격을 가하는 전자들이 빛을 만들어내야 하는데, 이를 위해 음극선관 모니터에는 인을 주성분으로 하는 한 물질이 덮여 있다. 그리고 그런 물질은 일단 전자들과 충돌하여 들뜬 상태가 되면 광자들을 내보내는데, 그 광자의 파장은 가시광선 영역에 자리 잡고 있다. 한편 이런 인광물질이 방출하는 모든 광자가 한데 어우러져 흰빛이 되는데, 방출되는 전자가 흐르는 세기를 바꾸면서 개별적으로 화면의 각 점이 내는 빛의 세기를 변화시킬 수 있게 된다. 이것이 이른바 '흑백' 텔레비전의 원리다. 그렇다면 어떻게 완전한 하나의 영상을 만들어내는 것일까? 이는 화면의 전체 점을 아주 신속하게 주사한 덕분이다.

컬러텔레비전 : 컬러 음극선관 텔레비전 화면의 원리는 우리 눈이 색상을 인지하는 방식에서 영감을 받은 것이다. 사실 우리 망막에 이르는 영상들은 그 형태 때문에 이른바 추상체(원뿔세포)로 일컬어지는 작은 수용기 수백 개에 의해 분석되는데, 이 추상체는 세 종류가 있고, 제각기 한 색상, 즉 빨강ㆍ초록ㆍ파랑에 더 민감하다. 즉 이 세 종류의 추상체가 자극되어 색상을 보는 과정 덕분에, 우리 눈은 삼원색으로 배합할 수 있는 모든 색에 민감한 것이다. 이런 색상 혼합을 '가색법'이라고 한다. 한편 텔레비전 수상기의 화면은 픽셀[pixels, 화소(picture elements)를 뜻하는 영어에서 유래]이라는 수십만 개의 점으로 구성되어 있는데, 이 픽셀은 세 개의 서브픽셀로 이루어져 있고, 서브픽셀은 각기 다른 색상으로 빛을 발한다. 그런데 전자빔에 의해 들뜬 상태가 될 때, 서브픽셀은 화학 성분에 따라 각기 빨강ㆍ초록ㆍ파랑의 빛을 내보내게 된다.

프로그램 전송 : 텔레비전은 주로 여러 가용 채널에서 나오는 영상들을 수신하는데 쓰인다. 이를 위해 각 채널은 진폭이 변조되는 전자기파의 형태로 송신국에서 대기를 통해 신호를 보내는데, 이런 신호는 안테나 또는 파라볼라에 의해 국지적으로 감지된다. 참고로 흑백텔레비전은 각각의 점에 대해 전자빔의 강도를 코드화하기만 하면 되므로 상대적으로 작동 원리가 간단하다. 즉 이 강도에 따라서 불을 켜려는 점의 빛의 세기가 결정되고, 이 신호는 아날로그 방식으로 코드화된다. 그런데 컬러 영상을 코드화하기 위해서는 이 광도 신호 외에 색채 신호도 보내야 한다. 다시 말해 화면의 각 점에 RGB(Red-Green-Blue) 체계의 세 가지 색상이 각각의 비율로 들어 있는 신호를 보내야 하는 것이다.

냉장고



냉기를 활용하여 음식물을 보관하는 방법은 새로운 아이디어가 아니다. 참고로 로마인들은 라인 강의 물고기를 제국의 수도로 운반하기 위해 생선을 얼음으로 포장했다고 한다. 한편 20세기 초에 최초의 냉장고가 등장했는데, 냉장고는 냉매 덕분에 음식물을 영상 몇 도 상태로 유지시킨다.

상변화 : 온도는 열운동, 그러니까 어떤 물체를 구성하는 원자나 분자의 운동 에너지를 측정하는 하나의 척도이다. 따라서 이동하는 에너지를 통해 어떤 물체의 온도를 변화시킬 수 있는데, 이것이 이른바 '열교환'이다. 그리고 이렇게 교환되는 열의 영향으로 물질은 상이 변화하여, 보편적인 물질의 상태 가운데 하나(고체, 액체, 기체)에서 다른 상태로 옮겨가게 된다.

압축식 냉장고 : 가장 흔한 유형인 압축식 냉장고 속에서 이런 열의 이동 단계를 살펴보자. 압축기는 기체 형태의 차가운 냉매를 압축하는데, 이로 인해 냉매의 온도와 압력이 올라간다. 따라서 그 냉매는 압축기에서 나갈 때 뜨겁고 압력이 높다. 그리고 높은 압력 상태의 뜨거운 이 기체는 그다음에 응축기를 거쳐 순환하는데, 그곳에서 확산을 통해 열을 외부로 양도하고 상변화를 겪는다. 즉 높은 압력을 받는 뜨거운 액체로 변화되는 것이다. 그다음 이 액체는 냉각회로 속에서 계속 제 길을 가면서 그다음에 팽창밸브를 지나는데, 팽창밸브는 그 액체의 압력과 온도를 낮춰준다. 그리하여 액체와 기체가 대등하게 뒤섞인 혼합물이 나오게 된다. 그리고 이렇게 압력이 떨어진 후, 저온의 액체-기체 혼합물은 증발기를 통과하는데, 여기에서 그 혼합물은 냉장고 내부의 열을 흡수하여 두 번째 상변화를 겪게 된다. 즉 액체가 끓기 시작하는 것이다. 다시 말해 기화되는 것이다. 그때 저온 저압 상태의 기체를 얻게 되고, 그 기체는 새로 순환을 하기 위해 압축기에서 다시 출발하게 된다.

다른 유형의 냉장고 : 압축식 냉장고 외에 다른 종류로 흡수식 냉장고가 있는데, 적용 원리는 증류와 상당히 비슷하다. 그러니까 물과 암모니아 혼합물이 가열된 뒤 기체 상태의 암모니아는 압축식 냉장고 속의 냉매와 동일한 단계, 즉 응축과 증발 단계를 거치는데, 주된 차이는 압축의 유무이다. 즉 압축하는 대신 혼합물을 가열하는 것이다. 이런 냉장고는 일반적으로 크기가 작고, 압축기와 구동 부품이 없어서 거의 소음을 내지 않고, 쉽게 고장 나지도 않는다. 반면에 용량이 작고 오히려 비싸다. 더군다나 이 냉장고에는 시원한 공기를 상당량 제공해주어야 한다. 또 다른 종류로는 '펠티에 효과'라는 열전 효과를 기반으로 하는 냉장고(아니 오히려 시원하게 하는 장치)가 있다. 그 원리는 전류가 성질이 다른 두 도체를 통과할 때, 전류의 방향에 따라 열교환이 일어나는 것인데, 시스템이 단순하고 크기가 작아 아이스박스, 음료 냉각기 등 휴대할 수 있는 기기에 많이 응용된다.

전자레인지



1945년 퍼시 스펜서는 한창 레이더 개발에 열중하던 중 이상한 일을 겪었다. 놀랍게도 바지 주머니에 넣어두었던 초콜릿 바가 전압을 받은 '마그네트론(자전관)' 근처에서 녹기 시작했던 것이다! 그 뒤로 한 특허가 이어졌고, 2년 후에 전자레인지가 처음 세상에 등장했는데, 그 전자레인지는 높이가 약 2미터, 무게가 350킬로그램 가량으로 가격이 당시 차 한 대 값과 맞먹었다. 그렇다면 전자레인지의 원리인 마이크로파로 어떻게 수분을 함유한 물질을 데울 수 있는지 알아보도록 하자.

마이크로파 : 전자기파에 속하는데, 전자기파는 파장대(1밀리미터~수십 센티미터)에 따라 여러 영역으로 나뉘고, 각종 레이더 장비와 위성을 이용한 통신, 천문 관측이나 휴대전화 분야에 널리 이용되고 있다. 참고로 마이크로파는 금속 표면에서 반사되는 속성을 갖고 있다.

온도란 무엇일까 : 기체를 이루는 원자나 분자는 흩어져 있고, 끊임없이 무질서하게 운동하는데, 이런 원자나 분자의 평균 운동속도는 기체의 온도와 관련이 있다. 즉 그 기체가 뜨거울수록, 분자는 더 빨리 이동하게 된다. 따라서 온도는 물질의 운동 정도를 측정하는 한 척도가 될 수 있다.

물분자 : 마이크로파가 어떻게 물을 가열할 수 있는지 이해하기 위해서는 물분자의 구조에 관심을 기울여야 한다. 물분자는 수소 원자 두 개와 산소 원자 하나로 구성되어 있고, 그 원자들은 전자를 공유함으로써 서로 연결되어 있지만, 전자를 동등하게 공유하지는 않는다. 즉 산소는 수소보다 전자를 더 많이 끌어당긴다. 그리고 전체 물분자가 전반적으로 중성이라고 해도, 양전하의 '무게중심'이 음전하의 무게중심과 일치하지는 않는다. 아무튼 전체적으로 물분자는 마치 서로 반대의 전하를 갖는 분자처럼 행동하는데, 이웃한 이 전하들은 이른바 전기쌍극자를 형성하고, 이 쌍극자들이 전자기파의 전기마당과 같은 한 전기마당 가운데에 놓이면, 매 순간 그 전기마당의 방향으로 정렬하는 경향이 있다.

마이크로파로 어떻게 가열할까 : 전자레인지에 이용되는 마이크로파의 주파수는 대개 2.45㎓인데, 이는 형성된 전기마당이 1초에 2x2,450,000,000번 방향을 바꾼다는 뜻이다. 참고로 이 전기마당에 의해 음식물 속에 들어 있는 물분자의 방향이 끊임없이 변화하여 음식물 속의 물분자가 이쪽저쪽으로 회전하기 시작한다. 그리고 이 회전하는 물분자는 이웃한 음식물 분자나 원자와 충돌하고, 열확산에 의해 그 원자나 분자에 열을 양도한다. 참고로 마이크로파는 음식물의 처음 몇 센티미터 정도에만 도달하고 나서 완전히 흡수되므로, 열확산은 음식물의 나머지 부분을 데우는 데 아주 중요하다. 즉 전기마당에 의해 유도되는 회전과 열확산이라는 이중의 현상 덕분에 마이크로파 선속의 작용을 받은 물질이 데워지는 것이라 할 수 있다. 참고로 정확히 2.45㎓의 주파수로 방향을 바꾸는 전기마당을 선택한 이유는, 물분자가 이 주파수에서 파의 에너지를 아주 많이 흡수하기 때문이다.