즐거운 인생, 즐거운 물리

버스가 앞으로 가속하면 버스 안에 있는 손잡이는 뒤로 기울어진다. 관성이 적용되는 현상중에 대표적인 현상이다. 그렇다면 헬륨품선을 자동차 바닥에 묶어두고 같은 실험을 한다면 어떻게 될까?

노란 풍선은 입김이 들어있는 풍선이고 녹색풍선은 헬륨이 들어있는 풍선이다.

자동차의 가속상태에 따라 풍선의 움직임이 달라진다.

1. 앞으로 가속 (정지상태에서 앞으로 가속)

2. 뒤로 가속 (달리다가 정지)

3. 왼쪽으로 가속 (좌회전)

4. 오른쪽으로 가속 (우회전)

유용한 전기실험이 많은 블로그에서 재미있는 실험을 보았다. MOSFET을 이용하여 정전기 극성을 탐지하는 장치이다.

(출처) http://thomson.tistory.com/968  

(다른 모스펫 테스트) http://lejoose.tistory.com/66

하지만 MOSFET이 너무 작아 납땜이 어려워 학생들이나 선생님들이 만들기 어려워서 브레드보드에 꽂아 만들 수 있게 수정하여 보았다. 

MOSFET 작동 원리

 MOSFET은 반도체 소자 위에 절연물질(금속산화물)을 놓고 그 위에 단자를 놓아 전류의 흐름을 조절하는 트랜지스터이다. 아래 그림은 N채널 MOSFET의 구조이다. P형 반도체와 강하게 도핑된 N형반도체(N+)를 그림과 같이 배치하고 각각의 N형 반도체에 전극을 붙인다. 각 전극은 드레인, 소스라고 부른다. 단자의 반도체 구조는 같지만 전하 운반자의 이동 방향을 기준으로 단자의 이름을 붙인다. N형 반도체 사이의 공간을 채널 이라고 부르는데 채널 위에 금속산화물을 입힌 뒤에 게이트 전극을 붙인다. 게이트와 채널 사이는 금속산화물로 절연되어있다.

MOSFET의 구조

 전기장이 없을때의 MOSFET은 아래 그림과 같다. 만약 전기장 효과로 게이트에 (+)전하들이 모이게 되면 채널 부분에 (-)전하가 유도된다. 유도된 전하들은 소스와 드레인을 전기적으로 연결하는 통로 역할을 하게 된다. 소스와 드레인이 전기적으로 연결되어있기 때문에 전하 운반자(N형에서는 전자, P형에서는 양공)는 소스에서 드레인으로 흐를 수 있다. 만약 전기장이 사라진다면 채널은 사라지게 되고 소스와 드레인 사이에 전류가 흐를 수 없게 된다. P채널 MOSFET은 N채널 MOSFET과 반대의 반도체 배열을 가지고 있다.

전기장이 없을때의 상태

전기장이 있을때의 상태

 아래 그림과 같이 대전체의 전기장을 이용하여 각 채널을 동작 상태로 만들 수 있다.

게이트에 (+) 대전체를 가까이 했을 때 (N채널)

게이트에 (-) 대전체를 가까이 했을 때 (P채널)

 아래 그림과 같이 대전체를 가까이 하지 않았을 때는 소스와 드레인 사이에 채널이 형성되지 않아 회로에 전류가 흐르지 않는다. 만약 (+)으로 대전된 대전체를 가까이 하면 채널이 형성된다. 형성된 채널은 전류의 통로가 되어 회로에 전류가 흐를 수 있게 해주어 LED에 불이 들어온다. 

대전체를 대지 않았을 때의 상태

대전체를 가까이 하였을 때의 상태

빛이 입자를 만나 진행방향과 다른 여러 방향으로 흩어지는 현상을 산란이라 부른다.

입자에 의한 탄성산란에는 레일리 산란과 미 산란이 있는데 이것은 입자의 크기에 따라 다른 이론을 적용한다.

입자의 크기가 파장보다 작은 경우(분자) 레일리 산란을 따르고 입자가 큰 경우(안개,매연 등)에는 미 산란을 따른다.

흔히 생각할 때 산란이 일어 날 때 빛이 물체에 반사되어 빛의 진행방향 반대편으로 빛이 강하게 보일 것 같지만 빛의 진행봥향과 같은 방향으로 산란이 크게 일어난다. 또한 이것은 입자의 크기에 따라 달라진다.

아래 그림은 빛의 진행방향이 오른쪽이라고 했을 때의 산란광의 강도이다. 레일리산란의 경우 여러 방향으로 산란되는 특징이 있다.미산란의 경우 진행방향으로 산란이 잘 되는 특징이 있으며 입자가 클수록 이 특징은 뚜렷하게 나타난다.

http://www.shimadzu.com/an/powder/sald/data/appli/app6.html

입자의 크기에 따른 산란각도. 입자가 작아질수록 산란은 뒤 방향으로도 일어나며 크기가 0.05μm 정도가 되면 진행방향으로 산란되는 빛과 반대방향으로 산란되는 빛의 세기가 비슷해진다. 

레일리 산란의 강도는 파장의 4제곱에 반비례한다. 따라서 파장이 짧을 수록 산란이 크게 일어나게 된다. 파란색(400nm)이 빨간색(700nm)보다 9배 산란이 잘 된다. 때문에 하늘이 파랗게 보이는 것이다. 

http://jntv.go.kr/kr/board/picture_view.php?bid=ecologyEx&category=6&menuid=5&cno=202&yearschange=2013_2

위 사진은 레일리 산란과 미 산란을 잘 보여준다. 푸른 하늘은 레일리산란에 의해 산란된 빛이 우리 눈에 도달한다. 하늘은 원래 검은색이므로 푸른색 빛이 산란되어 파랗게 보이는 것이다.  태양 근처의 노을은 붉게 보이는데 미산란되어 진행방향으로 태양빛이 진행하다가 파란색 빛은 산란되어 여러방향으로 흩어진다. 이때 붉은색빛은 잘 흩어지지 않으므로 붉은색 빛이 보이는 것이다. 

LB laser 레이저 모듈 (RED 9*17)-(8)

Peak wavelength         650nm

Operating voltage       3V

Operating current      ＜25mA

Optical power           2~3mW

Spot diameter           10m＜φ20mm

Operating temperature   -10℃~+40℃

Storage temperature     -40℃~+85℃

Outside                φ9×17.5mm

LB laser 레이저 모듈 (BLUE 12*35)-(3)

Peak wavelength          405nm

Operating voltage  6V

Operating current ＜60mA

Optical power        ＜10mW

Spot diameter At 10m  ＜φ20mm

Operating temperature -10℃~+40℃

Storage temperature -40℃~+80℃

Outside                 φ12×35mm

PCB Specification Built-in

xpl 그린 레이저 모듈 (12 x 50mm)

echnical Specs Name: XPL-MAG5

Wavelength: 532nm nominal center

Type: Dpss Laser

Lasing medium: Pump Laser

Transverse mode: TEM00

Min power: 5mw

Arctic series class: IIIA

FDA Accession No. secret

Beam Diameter: dia1.0mm

Beam divergence: <1.0mrad

Stability(at 25 ℃ ) <10%

Preheating time <10s

Best working temperature 25 ℃

Operating temperature 0-40 ℃

Temperature control Air-cooled

Color of shell: Copper

Size: Dia12 x 50mm

Weight: 40g (laser + driver)

Power consumption: 1.8V @ <0.4A

Power supply: DC3.0V

Continuous expected lifetime: >5,000 hours

Warranty: 1 Year (LD died is not included)

LB laser 그린 레이저 모듈 (GREEN, 12x52)-(1)

Peak wavelength        532nm

Operating voltage 3V

Operating current ＜350mA

Optical power        ＜1mW

Spot diameter         10m＜φ20mm

Operating temperature -10℃~+40℃

Storage temperature -40℃~+85℃

Outside                φ12×42mm

PCB size        16*9mm

처가집이 시골이라 불빛이 별로 없어 뒷마당으로 내려가는 계단이 깜깜하여 아무것도 안보인다. 

밤에만 켜지는 불을 달아놓았으면 하시길래 예전에 보았던 회로가 생각이 나 찾아보았다.

아이디어를 얻은 블로그 : http://thomson.tistory.com/43

이 블로그에 전기관련 재미있는 실험들이 많아서 요즘에 (따라)해보고 있다.

낮에는 태양전지판으로 충전하고 밤에는 LED를 켜도록 구성하였다.

회로도

회로 그리는 프로그램이 다리를 12개까지밖에 지원을 하지 않아 14개인 74HC04를 표시하지 못하였다.

입력이 0이면 출력은 1, 입력이 0이면 출력은 1 인 이러한 논리회로를 NOT gate 라고 부르고 Inverter 라고 부르기도 한다. 74HC04는 6개의 Inverter가 있어서 Hex Inverter 라고 부른다. A단자와 GND 단자사이 전위차가 존재하면 Y단자 출력이 없게 되고 A단자와 GND 단자의 전위차가 없으면 Y단자에 출력이 가해진다. (Vcc와 연결) 

태양전지판과 충전지 사이에 다이오드를 설치하여 역전류를 방지한다. 밤에 태양전지판의 전압이 낮아지면 역으로 전류가 흐를 수 있는데 태양전지판을 손상 시킬수 있고 배터리의 수명보장을 위하여 필요하다.

충전지는 리튬이온 전지(18650)를 사용하였다. 후에 전지를 교체할 수 있도록 홀더에 연결하였다.

리튬이온 전지는 메모리 효과가 없기때문에 수시로 충/방전 되는 회로에 유리하여 선택하였다. 완전 방전시 재사용 불가능하기 때문에 이에 유의해야한다. 배터리의 보호를 위해 보호 회로를 구입하여 달아주었고 안정적인 충전과 상태확인을 위해 충전 회로를 부착하였다. LED가 그리 많이 전류를 소모하지는 않아서 보호회로가 필요 없을 듯 했지만 날이 흐린날이 연속으로 되는 경우가 많으므로 달아두길 잘했다는 생각이 들었다.

녹색회로 - 배터리 보호회로

빨간색 - 충전회로

태양전지판은 6V 5W의 출력을 가지는 전지판을 사용하였다.

LED는 5050 백색을 이용하여 난간 아래쪽에 일정한 간격으로 5개 부착하였다.

밤에 테스트를 해보니 너무 밝아 주변에 영향을 주지도 않고 적당한 밝기를 유지하여 계단을 다니는데 어려움이 없었다.

태양전지판 8,000원

각종 부품 4,000원

18650 6,000원

약 18000원 소요

막상 해보고 나니 생각보다 비용이 많이 들었다. 이러한 장치를 만들었다는데에 의의를 두어야 할듯.

비압축성 유체가 어떤 관을 흐른다고 생각해 보자. 이 때 같은 시간동안 어떤 단면을 통과하는 유체의 양은 일정해야 한다. (유체가 어디로 사라지지 않으니까!)

만약 단면이 넓은 곳에서 좁은 곳으로 흐른다면 넓은 곳을 통과한 유체가 좁은곳에 같은양이 통과해야 하므로 유체의 속도는 빨라지게 될 것이다. 반대로 유체의 속도가 빨라지면 유체의 단면적이 작아지기도 한다. (그래서 압력이 작아진다고 이해해도 좋은지 확인해보면 좋을 듯)

이것을 수식으로 정리한 것이 연속 방정식이다.

분무기의 노즐을 좁게하여 강하게 분사하는데에도 쓰이고 꿀같이 점도가 높은 경우에도 적용된다. 꿀이 낙하하면서 속도가 빨라지기 때문에 꿀이 흐르는 부분의 단면적이 작아지게 된다. 물이 낙하할 때도 적용이 되는데 공원의 폭포에서도 이것을 볼 수 있다.

IYPT(International Young Physicists' Tournament) 과제 안내

홈페이지 : http://iypt.org
역대문제기록 : http://archive.iypt.org/problems

String telephone

How do the intensity of sound transmitted along a string telephone, and the quality of communication between the transmitter and receiver, depend upon the distance, tension in the line and other parameters? Design an optimal system.

 
 - 각 조건(컵의 종류, 줄의 장력, 줄의 종류)에 따른 전달 효과.
 - 전달효과를 어떻게 측정할 것인가?

Woodpecker toy

A woodpecker toy (see picture) exhibits an oscillatory motion. Investigate and explain the motion of the toy.

 - 진동하게 되는 원리는 무엇일까?
 - 각 부품의 역할(걸개의 질량/안쪽지름, 용수철의 탄성, 딱따구리의 질량)
 - 비슷한 원리로 움직이는 다른 장난감.

Ice

A wire with weights attached to each end is placed across a block of ice. The wire may pass through the ice without cutting it. Investigate the phenomenon.

 - 금속 줄의 소재(스테인리스스틸, 구리, 니크롬 등) 에 따른 통과속도.
 - 금속 줄의 굵기에 따른 통과속도.
 - 추의 무게에 따른 통과 속도.

Astroblaster

When a large ball is dropped, with a smaller one stacked on top of it, onto a hard surface, the smaller ball will often rise much higher than it would if dropped onto the same surface by itself while the larger ball hardly bounces at all. Investigate this phenomenon and design a multiple-ball system, using up to 4 balls, that will reach the greatest elevation of the top ball.

 - 탄성충돌으로 현상 설명.
 - 농구공과 야구공을 이용하여 같은 효과를 낼 수 있는 장치 제작.
 - 서로 다른 4개 이상의 공을 이용한 astroblaster 제작.

 Falling chimney

When a tall chimney falls it sometimes breaks into two parts before it hits the ground. Investigate and explain this.

 - 현상에 대한 역학적인 설명.
 - 유사한 상활 설정과 축소모형을 이용한 시연.

Breaking spaghetti

Find the conditions under which dry spaghetti falling on a hard floor does not break.

 - 각도에 따른 부러짐 여부.
 - 낙하 높이에 따른 부러짐 여부.
 - 각 조건과 부러짐을 그래프로 표현하기.

Frustrating golf ball

It often happens that a golf ball escapes from the hole an instant after it has been putted into it. Explain this phenomenon and investigate the conditions under which it can be observed.

 - 튀어 나오게 되는 조건을 이론적으로 계산.
 - 골프공이 튀어나오는 조건 탐색.
 - 이론과 실험값의 비교.

Drawing pins

A drawing pin (thumbtack) floating on the surface of water near another floating object is subject to an attractive force. Investigate and explain the phenomenon. Is it possible to achieve a repulsive force by a similar mechanism?

 - 현상 관찰
 - 인력이 발생하는 요인 분석
 - 인력이 크게 발생할 수 있는 조건 탐색

링발사기 / 전자기유도

물리에서 알짜힘을 F(net) 으로 표현한다. 

net은 순(純), 실(實) 이란 뜻인데 도로를 달리다 같은 의미로  컨테이너에 쓰여있는 걸 보았다.

GROSS 는 총 중량

TARE는 용기(컨테이너)의 중량

NET은 컨테이너를 제외한 실제 짐의 중량이다.

즉, 총중량 = 용기중량 + 짐중량 (GROSS = TARE + NET) 이다.

경부고속도로였던것 같은데 일본차량이 배를 타고 그대로 들어왔나보다.

MAX GROSS 28,000KG

TARE 8,000KG

NET 20,000KG

CUBIC CAP. 78.7M²

휴게소에 있던 컨테이너

GROSS 34,000KG

TARE 4,600KG

NET 29,400KG

CUBIC CAP. 67.9M²

트럭을 따라가다보면 웬 에어컨 실외기가 달려있다.

진짜 그런 에어컨을 쓰는건가?? 라고 생각했는데 진짜 그런 에어컨을 쓴다..

인터넷에 검색을 해보니 설치업체도 따로 있었다.

이렇게 에어컨을 설치하면 자동차의 시동을 걸지 않아도 에어컨을 사용할 수 있다고 한다. (일반적인 자동차의 에어컨은 엔진의 움직임으로 직접 압축기를 구동한다. 그래서 내차같은 차들은 여름에 에어컨 켜면 빌빌거린다.... 내리막길에서 에어컨을 틀면 엔진브레이크 역할을 해준다(!!))

그렇다면 전력은 어디에서 공급받는거지??? 라고 생각을 해보니 그냥 트럭의 배터리에서 얻어온다고 한다. 배터리가 그정도의 용량이 되는지 궁금하여 검색을 해보았다.

6평형 에어컨 소비전력은 650W가량 된다고 한다.

트럭에는 12V , 150Ah정도의 배터리가 직렬로 2개 설치된다.  따라서 24V * 150Ah = 3600Wh 의 전력량을 가진다.

이상적인 경우 3600Wh/650W = 5.5h  정도 에어컨을 가동할 수 있는 계산이 나온다.

생각보다 꽤 많은 시간동안 에어컨을 켤수 있다!!

그러나 에어컨은 220VAC 이고 배터리는 24VDC이므로 인버터를 설치해야 하고 여러 손실이 생기기 때문에 실제로는 2~3시간 이상 작동할 수 없을 듯 보인다.