평소에는 눈에 보이지 않는 '전기'를 구상화 하여 해설한 영상

 

스마트 폰이나 PC, 게임기 등, 우리 주변에는 전기를 이용한 장치가 넘쳐나고 있습니다. 본래 전기는 인간의 눈에는 보이지 않지만 이를 시각화하여 해설한 동영상을 과학계 블로그인 DEMYSTIFYING SCIENCE가 공개하고 있습니다.

DEMYSTIFYING SCIENCE

원자가 물리적으로 상호 작용하여 전압과 전류를 생성하는 모습을 상상할 수 있나요? 이것은 눈에 보이지 않는 원자의 움직을 시각화하지 않으면 이해하기 어렵습니다.

이를 위한 첫 단계로, 가장 간단한 원자인 수소를 고려해 봅니다.

수소는 원자핵을 둘러싼 하나의 전자껍질을 가지고 있습니다. 이 전자껍질의 형상은 대략적으로 말하면 전자껍질에 있는 전자의 동경분포함수(기체, 액체, 비정질 고체 등에서, 하나의 원자 또는 분자를 원점으로 하여 그 주위에 있는 원자 또는 분자의 분포를 원자로부터의 거리만큼의 함수로 나타낸 것)에 근거하고 있다는 것입니다. 또한 전자껍질은 들뜬상태(들뜬상태는 에너지 띠가 띄엄띄엄한 구조를 갖는 양자계에서 최저 에너지 상태인 바닥상태를 제외한 나머지 에너지 상태를 뜻한다)에 따라 모양을 변화시키기 때문에, 이 운동은 인간의 '호흡 운동'에 비유될 수 있습니다. 또한, 이러한 현상을 "양자 도약"이라고 합니다.

전자의 99.999%는 원자핵에서 430 피코 미터(1미터의 10의 12승 분의 1) 이하의 거리에 있습니다. 그러나 나머지 0.001 % 의 전자는 작은 방사형 필라멘트 같은 것으로 설명할 수 있으며, 얼마나 늘어나던지 제한없습니다.

따라서, 만약 전자의 동경분포와 양자도약을 무시할 경우, 매우 단순화된 모델을 이용하여 전기의 시각화가 가능합니다.

그래서, 위의 조건을 근거로 "매우 간단한 회로도"를 이용하여 전기의 시각화를 고려해 봅니다.

이것이 그 "매우 간단한 회로도"

이 개방 회로는 수소 원자가 일렬로 줄지어서 형성하고 있습니다.

이 경우 각 수소 원자의 전자껍질이 얽혀, 옆의 수소 원자와 함께 차례차례 겹쳐서 늘어서게 됩니다.

대전(帯電: 어떤 물체가 전기를 띠는 현상)한 회로에서는 어떤 일이 일어나고 있을까요?

회로 위를 전류는 플러스에서 마이너스로 흐르지만, 마이너스 측의 원자는 시계 반대 방향으로 회전합니다. 이 회전은 「대전」을 나타내고 있다고 합니다. 즉, 대전하고 있는지 아닌지는 원자의 회전 방향에서 판단할 수 있다는 것.

한편, 회로의 양극(+)에서는 원자시계 방향으로 회전합니다. 이 경우, 양극(+)의 원자는 음극(-)의 원자보다 천천히 회전하는 것입니다.

이 회전의 기세와 방향의 차이는 각각의 전압 차를 나타내고 있다고 말할 수 있습니다. 즉, 전압은 전자 사이의 운동량의 차이로 나타낼 수 있습니다.

그리고 회로가 닫힌 경우, 운동량이 많은 쪽이 적은 쪽을 활발하게 합니다.

원자가 직접 연결되면 전자껍질을 경유하여 운동량이 거의 빛의 속도로 전파됩니다. 따라서 전류는 전자의 평균 속도 인 드리프트 속도보다 훨씬 빠르게 전파됩니다.

그러나 이 단순화된 회로도의 예는 이온화된 수소 원자를 사용한다는 전제하에, 전기의 시각화를 이미지하고 있다는 것을 인식하셔야 됩니다. 실제 회로에 사용되는 전기 전도성 금속이나 선들은 더 복잡한 전자껍질을 가지고 있다는 것을 잊지 마세요.

또한, 금속 원자의 전자는 수소 원자의 그것보다 더 복잡한 궤도형상으로 되어있기 때문에, 금속 원자는 다른 원자와 다극접촉이 가능하고, 시각화 과정도 더 복잡합니다.

 

자세한 영상은 아래에서 확인해 보세요

How to Visualize Electricity - YouTube