1. 스마트폰 무선 충전과 전자기 유도
2. 전자기적 신호, 전자기파
외르스테드와 패러데이에 의해 전기와 자기 현상이 상호간에 영향을 주고받는 관계임이 드러나게 되었다. 전기와 자기, 서로가 서로의 원인이자 결과였다.
이에 맥스웰은 전기와 자기가 서로를 유도하는데 주고받는 신호의 존재를 직감하며, 이러한 전자기적 신호를 '전자기파'라 칭하였다. 이때까지만 해도 '전자기파'는 맥스웰의 가설일 뿐이었다. 맥스웰은 오로지 수학적인 근거만으로 '전자기파'란 존재를 예측했을 뿐이었지, 실체는 발견하지 못했다.
이후 베일에 감싸져 있던 전자기파의 존재는 헤르츠의 실험을 통해 드러나게 되었다. 헤르츠는 실험을 통해 전자기파를 발생시키고 그 전자기파를 검출하는 데 성공하여 전자기파의 존재를 최초로 입증하였다.
응당 전구에 불이 들어오려면 전류가 흐르는 전선이 있어야 하며 회로가 닫혀 있어야만 한다. 하지만 전선 없이도 전구에 불이 들어오게 할 수 있다. 즉 무선 원격으로 전구에 불이 들어오게 할 수 있다.
선이 연결되어 있지 않음에도, 즉 무선으로도 전구에 불이 들어온다. 도대체 어떻게 이런 일이 생길 수 있을까? 바로 '전자기파'가 답이다.
이번 시간에는 무선 송수신기를 만들어봄으로써 헤르츠의 실험을 재현해보고, 무선 송수신이 어떻게 이루어지는지 탐구해볼 것이다. 헤르츠가 사용했던 유도 코일 대신 압전소자를 이용해서 전자기파를 발생시키고 검출 고리 대신 전자기파의 영향으로 발광다이오드에 불이 들어오게 한다.
실험 재료
하드보드지, 알루미늄 테이프, 압전소자, 발광다이오드(2개), 필름통(1개), 건전지(2개), 건전지 소켓(병렬형), 집게 전선(2개), 절연테이프, 양면테이프, 쿠킹호일, 압핀, 자, 가위, 송곳
활동 1. 송신기 만들기
① 하드 보드지를 이용하여 막대 4개, 판 2개를 준비한다. (막대 규격 2cmⅹ30cm, 판 규격 5cmⅹ8cm)
② 잘라낸 막대 모양의 하드 보드지를 알루미늄 테이프로 앞뒤로 감싼다.
③ 판에 양면테이프를 사용해 알루미늄 테이프로 싼 막대를 2cm2cm 정도 간격으로 마주 보게 붙인다.
④ 압핀(시침핀)을 막대 사이에 서로 마주 보도록 붙인다. (간격 2mm)
⑤ 압전 소자를 이용해 전자기파 발생장치를 만든다.
⑥ 전자기파 발생장치의 두 집게를 송신 안테나의 마주 보는 부분에 연결하고 압전 소자를 누르면 딱 소리가 나면서 방전되는 모습이 보인다.
활동 2. 수신기 만들기
① 송신기 만들기 송신기 만드는 과정①,②와 동일하게 만든다.
② 필름 통 뚜껑의 중앙에 송곳을 이용하여 1cm 가량 간격의 작은 구명 2개를 뚫는다. (발광다이오드 끼울 구멍)
③ 구멍의 왼쪽에 발광다이오드의 긴 발(+극), 오른쪽에 짧은 발(-극)을 끼운다.
④ 발광 다이오드의 양다리를 90도 정도 각도로 하여, 왼쪽은 앞으로, 오른쪽은 오른쪽 옆으로 접는다. 이때 두 다리는 뚜껑에 꼭 붙이도록 하여 선이 바깥으로 나올 수 있도록 세심하게 접는다.
⑤ 필름통을 판의 바닥 중앙에 오도록 양면테이프로 붙인다.
⑥ 알루미늄 테이프를 잘라낸 면을 기준으로 위아래 길게 붙인다. (필름통 밖으로 나오도록 넉넉하게 붙일 것)
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⑦ 양면테이프를 이용하여 막대 2개를 필름통 양쪽에 붙인다. (주의! 필름통에 붙인 알루미늄 테이프와 막대는 전기가 잘 통하도록 붙어야 하므로 꼭꼭 눌러준다. 부족하다 싶으면 도선으로라도 연결할 것)
⑧ 하드보드지 판에 단단히 고정시킨다.
⑨ 쿠킹 호일을 잘라서 둥근 공 모양으로 만든다.(20~30개)
⑩ 전원 집게의+극을 필름 통 뚜껑의 앞쪽에, -극을 왼쪽 안테나에 연결한다.
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| 무선 송수신기 | 무선 송수신 성공 |
우리가 만든 것의 정체, 코히러 검파기 (TMI)
전파의 유무를 확인할 수 있는 간단한 검파기
원리는 전파의 간섭으로 내부 금속가루가 정렬되어 전류가 흐르도록 서로 뭉쳐지는 현상을 이용한 것임
시침핀과 압전 소자를 쓰는 이유 (TMI)
날카로운 핀에 보다 많은 전하들이 모여들 수 있어 방전과 대전이 반복적으로 일어나기 쉽고 대전과 방전 방향이 주기적으로 뒤바뀌려면 일반적인 전지로는 어려움이 있기에 압전 소자가 제격
코히러 검파기의 원리 (TMI)
1. 날카로운 핀 사이의 공기가 강한 전기장에 의해 이온화되어 그때 생기는 강한 전기장이 날개쪽으로 퍼져 날개쪽에서 전자기파가 방출된다.
2. 그 전자기파를 수신기의 날개가 받는다.
3. 이때 수신기가 수신한 전자기파(전자기장의 진동)에 의해 쿠킹호일(도체)로 만든 공들이 대전되어 정전기 유도 현상에 의해 공들 사이에 전기적 인력이 발생한다.
4. 쿠킹호일 공들이 서로 달라붙게 되면서 수신기가 닫힌 회로가 되어 LED에 불이 들어온다.
6. 이때 수신기 날개를 손으로 툭 건드리면 쿠킹호일 공들이 방전되어 전기적 인력이 사라지기 때문에 닫힌 회로가 열린 회로가 되어 LED의 불이 꺼진다
헤르츠의 전자기파 발견은 인류의 생활방식을 바꾸어 놓을 역사적인 발견이었다. 그러나 헤르츠는 자신이 발견한 전자기파의 중요성을 알아차리지 못했다. 단지 맥스웰이 옳았다는 것을 증명하는 것에만 그쳤다.
그때 이탈리아의 마르코니가 바통 터치를 받았다. 그의 목표는 전자기파를 이용하여 원거리에서 모스 부호를 주고받아 무선 통신을 가능하게 하는 것이었다. 처음엔 1.5km에서 시작하여 신호를 주고받는 반경을 점차 확대해나갔다. 마르코니는 전자기파가 상업적으로나 군사적으로 중요하게 사용될 수 있을 것이라고 확신했고, 그 덕분에 라디오 더 나아가 핸드폰과 스마트폰을 비롯한 무선 통신 기기가 탄생할 수 있었다.
현재 우리는 지구에서 멀리 떨어져 있는 다른 행성에 탐사선을 보내 놓고 지구에서 전자기파를 이용하여 탐사선을 조종하고 있다. 태양계 탐사를 마치고 우주 속으로 날아간 보이저 탐사선들은 명왕성 궤도보다 훨씬 더 멀리 날아간 후에도 지구로 전자기파를 이용해 신호를 보내고 있다. 이처럼 전자기파는 공간의 규모를 키워가면서 우리에게 무궁무진한 활용가치를 제공한다. 미래에 전자기파가 정복하게 될 공간의 규모가 어느 정도일지 가늠이 안된다.
BMI(Brain-Machine Interface)
뇌파(뇌에서 나오는 전자기파)로 전자기기를 작동하는 기술 BMI(Brain-Machine Interface)는 뇌(brain)와 기계(machine)를 연결했다는 의미다. 생각만으로 기기를 움직일 수 있기 때문에 지금까지 개발된 어떤 수단보다 조작이 간편하다. 지금은 전신마비 환자들의 재활 등에 제한적으로 활용되는 수준이지만 그 범위가 빠르게 넓어지고 있다. 20~30년 후엔 뇌파로 인터넷에 접속, 세계 사람들과 의사소통하는 수준까지 기술이 진화할 것이란 전망도 나온다.
페이스북 CEO 마크 저커버그는 2017년 페이스북 개발자 회의에서 뇌의 언어중추를 해독하는 프로젝트를 시작했다고 발표했다. 생각만으로 1분에 100100 단어를 타이핑하는 게 이 프로젝트의 목표다.
테슬라 CEO 일론 머스크 역시 BMI 기술에 큰 기대를 걸고 있다. 그는 2017년 미국 캘리포니아주에 '뉴럴 링크'라는 사업을 시작했다. 사람의 뇌에 ‘뉴럴 레이스’라는 칩을 이식해 컴퓨터와 연결하는 것이 이 회사의 목표다. 단순히 컴퓨터에 명령을 내리는 것에서 한발 나아가 사람의 생각을 파일처럼 업로드하거나 다운로드할 수 있어야 한다는 게 그의 설명이다.
3. 전자기파가 쏘아 올린 에너지, 무선 전력 수송
요즘에는 전자기파로 주고받는 무언가의 스케일이 '정보'에서 '에너지'로 확장되었다.
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