전기 에너지의 저장 {축전기}

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성취 기준

축전기에서 전기 에너지를 저장하는 원리가 각종 센서와 전기 신호 입력 장치 등 실생활 제품에서 활용됨을 설명할 수 있다.

물리학 전개도

 

판서 조직도

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보통 카페에서 커피를 기다릴 때처럼 잠깐의 여유를 만끽하기 위해 본능적으로 스마트폰을 보곤 했습니다. 그게 휴식인 줄 알았어요. 창밖에는 초록의 나무들이 숲을 이루고 있고, 햇살이 나뭇잎 사이로 부드럽게 스며들며, 바람에 흔들리는 잎사귀들이 조용히 노래를 부르고 있었지만, 그 모든 자연의 풍광과 속삭임이 제게 깃들 여백이란 없었습니다. 메시지를 확인하고, 뉴스 헤드라인을 훑고, 의미 없는 피드 몇 개를 넘기는 사이, 잠깐의 여백은 또다시 정보로 가득 찼기 때문이죠. 저는 멈춰 있지 않았고, 비워지지도 않았으며, 쉬고 있는 것도 아니었죠. 그저 또 다른 방식으로 채워지고 있었을 뿐입니다. 피곤은 쌓여가고, 머리는 둔해지고, 마음은 더 조급해졌죠. 오늘 공부할 물리학을 통해 진정한 휴식이란 무엇인지 알게 됩니다.

 

1. 축전기

용수철과 물체 사이에 탄성력에 의한 위치 에너지가 저장돼 있듯이 전하 사이에는 전기력에 의한 위치 에너지가 저장돼 있습니다. 이를 부품화한 게 축전기예요. 이 축전기 덕분에 또한 전자기기가 작아지고 가벼워질 수 있었어요.

1) 충전과 방전

 

전지를 회로에 연결하여 두 금속판에 전위차를 만들어주면, 축전기의 두 금속판 중 전위가 높은 쪽은 양전하, 전위가 낮은 쪽은 음전하로 대전되어 전하가 저장됩니다. 이와 같이 축전기를 전원 장치에 연결하여 전하를 모으는 것을 충전이라고 해요. 한편, 충전된 축전기에는 전위차가 생기므로 축전기를 전구에 연결하면 전위차가 0이 될 때까지 축전기의 전하가 빠져나가는데, 이것을 방전이라고 해요.

 

 

2) 축전기의 물리적 변화

 

금속판의 면적이 넓을수록 구조적으로 전하가 많이 저장될 수 있고, 금속판 간의 거리가 가까울수록 양 금속판의 (+), (-) 전하는 거리에 반비례하여 강해지는 전기력으로 서로를 더 많이 붙들어 맬 수 있게 됩니다. 따라서 축전기가 전하를 모을 수 있는 능력 C은 금속판의 면적 S에 비례하고, 금속판 사이의 거리 d에 반비례합니다.

 

2. 축전기가 활용되는 사례

1) 방전의 활용

많은 양의 전하를 저장했다가 짧은 순간에 방전시키는 장치들입니다. 자동 심장 충격기는 짧은 시간에 강한 전류를 발생시켜 심장 이상이 발생한 환자에게 전기 충격을 가하고, 카메라 플래시는 셔터를 누르는 순간 축전기에 저장된 전기 에너지를 빠르게 방전하여 전구에서 순간적으로 강한 빛을 내게 합니다. 

(좌) 자동 심장 충격기 (우) 카메라 플래시

 

2) 축전기의 물리적 변화의 활용

① 전기 용량식 터치 스크린

 

두 투명 전극은 평행판 축전기의 역할을 하여 두 전극 사이에 전하가 골고루 퍼집니다. 이때 스크린에 손가락을 접촉하면 스크린의 접촉 지점에 있던 전자가 손가락을 타고 빠져나가요. 그러면 센서가 어떤 위치에서 전하량이 변했는지를 감지하여 접촉 지점의 위치를 알아낼 수 있습니다. 이처럼 축전기를 활용한 센서는 스마트 기기 외부의 환경 변화를 감지하고 이것을 전기적 신호로 변환하여 컴퓨터에 해당 정보를 전달해 주는 역할을 합니다.

 

② 컴퓨터 자판 

 

글자판을 누르면 축전기의 두 금속판 사이의 간격이 줄어듭니다. 이로 인해 축전기에 저장되는 전하량이 변하게 되고, 전하량이 변하는 과정에서 회로를 따라 전류가 흐르게 돼요. 이렇게 발생한 전류는 컴퓨터가 인식할 수 있는 전기적 입력 신호로 변환되어 처리됩니다.

 

③ 콘덴서 마이크

 

콘덴서 마이크 내부에는 진동판과 고정판으로 이루어진 축전기가 전지에 연결되어 있습니다. 소리가 전달되면 공기의 진동에 의해 진동판이 위아래로 진동하며 진동판과 고정판 사이의 간격이 감소와 증가를 반복해요. 이에 따라 방향이 변하는 전류가 흐르게 되어 소리가 전기 신호로 전환되어 입력됩니다. 이러한 모습은 용수철에 매달린 물체가 앞뒤로 흔들리며 진동하는 모습과 닮았어요. 두 경우 모두 위치 에너지가 작동과 운동의 근원이 됩니다.

 

축전기와 세포 호흡

 

인간 또한 전기뱀장어처럼 전기를 만들어냅니다. 인간의 생체 전기는 ATP와 ADP가 서로 전환되는 세포 호흡이 일어나는 동안, 전자들이 발생하고 재배치되는 과정으로부터 기인하는데요. 오늘 공부한 내용으로 비유하자면, ATP는 축전기가 충전된 상태이고 ADP는 그 축전기가 방전된 상태라 할 수 있어요. 과학자들은 훗날 우리 몸에서 자연 발생하는 생체 전기를 이용해 배터리를 충전하는 방법이 등장하리라 전망합니다. 실제로 생체 전기를 이용해 스마트 워치를 충전하거나, 전자기기를 작동시키는 연구가 진행 중에 있다고 해요.

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축전기에 저장된 에너지나 ATP의 생체 에너지는 방전됨으로써 그 나름대로의 효용 가치를 발휘합니다. 이처럼 충전된 에너지는 언젠가는 흘러야만 하며, 또 흘러야지만 다시 채워질 수 있습니다. 우리 삶도 마찬가지예요. 의욕, 열정, 사랑 그 모든 것을 아낌없이 쏟아붓고 나면 우리는 마치 완전히 방전된 축전기처럼 텅 빈 기분이 들겠지만, 그 빈 상태가 있어야만 다시 채워질 수 있어요. 방전은 나약함이 아니라, 회복의 시작점이에요. 그러니 피로를 부끄러워하지 마세요. 그렇다면 회복을 위한 올바른 휴식이란 무엇일까요?

 

초록을 거머쥔 우리는 - 잔나비

https://www.youtube.com/watch?v=29OEHqiUrkI

 

Go Forest, For rest

 

최적의 휴식 시간을 알아내기 위한 연구 결과에 따르면 30분 동안 자연에서의 걷기 휴식 1회 혹은 5분 동안 자연에서의 걷기 휴식 6회는 활력을 키우고 집중력을 높이며, 기분을 개선하고 오후에 느끼는 피로감을 효과적으로 감소시키는 것으로 나타났습니다. 더불어 자연에 노출되면 창의력을 높이는 데만이 아니라 체내 염증 수치를 낮추는 데도 큰 도움이 된다고 합니다. 초록이 가득한 자연을 벗으로 삼아야 할 이유, 어쩌면 우리 모두가 초록을 거머쥐고 있기 때문이지 않을까요?

 

초록이 가득한 오뉴월 하늘엔 휘파람이 불어옵니다. 눈여겨둔 볕에 누우면 잠도 스르르르 오게 되죠. 마땅한 할 일도 갈 곳도 없이 자연의 품 안에 꼭 그렇게 서있어 보면 어떨까요? 잔나비의 초록을 거머쥔 우리는을 들으며, 오늘도 물리를 통해 인생을 배웁니다.