피카츄를 넘어라! 정전기의 비밀과 1만 볼트 불꽃을 관찰하는 라이덴병 실험!
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험이죠!
건조한 겨울날, 문손잡이에 손을 뻗는 순간 “찌릿!” 하고 아팠던 경험 없으신가요? 그 작은 불꽃이 바로 손가락과 문손잡이 사이를 전기가 뛰어넘는 “방전”이라는 현상인데요. 놀랍게도 그 순간 발생하는 전압은 우리가 상상하는 것 이상이랍니다.
정전기의 힘은 ‘만(萬)’ 볼트급!
만약 손가락과 문손잡이 사이에 겨우 1cm의 틈이 있었다고 가정하면, 방전이 일어나기 위해서는 무려 약 3만 볼트의 전압이 필요합니다. 우리 가정에서 사용하는 콘센트 전압이 100V니까, 그 300배나 되는 엄청난 전압인 거죠! 정전기의 힘이 얼마나 강력한지 알 수 있습니다.
“그렇게 고전압인데 왜 감전사하지 않는 거지?” 하고 궁금하지 않으세요? 그건 전압은 높지만, 흐르는 “전류”의 양이 아주 미미하고, 시간도 순식간이기 때문입니다. 아무리 센 물이 뿜어져 나오는 호스(고전압)라도, 그 양이 고작 물 한 컵 분량(적은 전류)이라면 크게 문제가 되지 않는다는 이미지로 이해하시면 됩니다.
그렇다면 방전 거리가 3mm 정도라면 어떨까요? 이때의 전압은 약 1만 볼트가 됩니다. 이것도 콘센트 전압의 100배죠! (참고로, 피카츄의 기술 “10만 볼트”와 비교하면 겨우 10분의 1의 에너지입니다. 역시 피카츄는 대단하네요!)
이번 실험에서는 우리 일상에 가득한 1만 볼트의 정전기를 안전하게 발생시켜 방전시키는 모습을 촬영했습니다. 작은 “번개”가 치는 순간을 영상으로 꼭 확인해 보세요!
집에서 도전! 1만 볼트 방전 관찰하기
영상에서 본 방전을 직접 관찰해 봅시다. 여기서는 “라이덴 병(Leyden jar)”이라는 장치를 사용합니다. 이것은 18세기에 발명된, 세계 최초의 “전기를 모으는 장치(축전기)”랍니다.
준비물
라이덴 병 (만드는 방법은 여기를 참고), 알루미늄 포일이 붙은 연필, 셀로판테이프, 풍선, 수건
방법
１ 라이덴 병을 만듭니다. (만드는 방법은 여기를 참고)
２ 라이덴 병에 풍선과 수건으로 정전기를 일으켜 모읍니다. 모으는 방법도 여기를 참고하세요. (풍선으로 문질러 모은 전기를 병 안에 가두는 이미지입니다!)
３ 알루미늄 포일을 띠 모양으로 잘라 연필에 셀로판테이프로 붙입니다.
４ 내부 알루미늄 포일과 외부 알루미늄 포일 사이에 연필에 붙인 알루미늄 포일을 대어 회로를 만듭니다. 천천히 아주 천천히 가까이 가져가면… 불꽃이 보입니다!
원리: 왜 전기가 모이고 빛이 날까?
라이덴 병은 내부와 외부의 알루미늄 포일 사이에 전기(마이너스 전기를 띠는 전자)를 끼워 넣는 “전기 샌드위치”와 같은 구조를 하고 있습니다. 풍선으로 문질러 모은 전자를 계속해서 내부에 쌓아가는 것입니다.
정전기를 최대한 모아 약 1만 볼트 정도 충전된 상태로 만듭니다. 이 상태에서 연필의 알루미늄 포일을 이용해, 모인 내부 알루미늄 포일과 외부 알루미늄 포일을 연결하면 “코로나 방전”이 일어나며 ‘팟!’ 하고 빛이 납니다.
이것은 수만 볼트의 높은 전압에 의해 전자가 공기 중으로 튀어나가, 평소에는 전기가 통하지 않는 공기를 강제로 “이온화”시키는 (전기가 통하는 상태로 바꾸는) 과정에서 일어납니다. 일단 길이 생기면, 그곳으로 더 많은 전자가 쏟아져 들어가는, 말 그대로 “눈사태 같은 현상”이 발생하여, 강한 빛(불꽃)으로 우리 눈에 보이게 되는 것입니다.
과학의 역사와 연결되는 실험
이 라이덴 병은 사실 과학 역사에서 매우 중요한 역할을 했습니다. 라이덴 병의 역사적 배경에 대해서는 여기에 정리해 두었습니다. 확인해 보세요.
라이덴 병을 사용하면 이런 재미있는 실험도!
이 라이덴 병을 사용하면 “백인 위협” (모두가 손을 잡고 정전기를 체험하는, 예전부터 내려오는 과학 실험입니다!)을 비롯하여 다양한 재미있는 실험을 할 수 있습니다. 이 실험들 중에는 히로세 스즈, 스즈키 료헤이, 야스코, 초콜릿 플래닛의 오사다, 마츠오 등과 TV 프로그램에서 함께 했던 실험도 포함되어 있습니다. 예나 지금이나 전기의 힘은 사람들을 놀라게 하고 즐겁게 해주는군요! 자세한 내용은 여기를 참고하세요.
문손잡이의 “찌릿!”도 관점을 바꾸면 1만 볼트짜리 작은 번개입니다. 과학의 눈으로 보면 일상은 신기함과 놀라움으로 가득 차 있답니다!
※ 참고로, 정전기 발생 장치(반데그라프)를 이용한 실험은 반드시 전문가의 입회 하에 진행해 주십시오. 안전에 유의하여 시도해 주시기 바랍니다. 또한 정전기 실험 관련 의뢰(실험 교실이나 TV 자문/출연 등)는 여기로 부탁드립니다.
【특집】멈출 수 없는! 정전기 실험
문의 및 의뢰에 관하여
과학의 신기함과 재미를 더 가깝게! 집에서 할 수 있는 즐거운 과학 실험과 그 노하우를 알기 쉽게 정리했습니다. 이것저것 검색해 보세요! ・운영자 쿠와코 켄에 대해서는 여기 ・각종 의뢰 (집필, 강연, 실험 교실, TV 자문/출연 등)는 여기 ・글 업데이트 정보는 X에서 배포 중!
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