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201503.04

[Fusion 탐구] 초간단 플라즈마 발생기 만들기~

시스템 관리자   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/plasma/349

재미있는 과학실험을 소개하는 Fusion 탐구!

 

고체, 액체, 기체에 이은 물질의 제4상태로 핵융합 반응을 위한 필수 조건이기도 한 플라즈마. 핵융합에너지를 얻으려면 1억도 이상의 초고온 플라즈마상태를 만들어야 한다는 사실, 알고 계시죠? 사실 수억도 이상이라는 천문학적인 온도 때문에 플라즈마가 생소하게 느껴지지만 우리 생활 속에서도 흔하게 볼 수 있는데요. 고온에서 이온과 전자가 뒤섞여 존재하는 것을 말하는 플라즈마는 형광등, PDP, 네온사인은 플라즈마를 응용하는 대표적인 사례라고 할 수 있습니다. 최근에는 산업분야 뿐만 아니라 농업분야에서 까지 활용되며 새롭게 주목받고 있는데요.

 

이번 시간에는 간단한 재료로 플라즈마 발생 원리를 알 수 있는 플라즈마 발생기를 직접 만들어 보는 실험을 소개 합니다~

 

우선 백열전구(투명), 압전소자, 절연테이프, 검정색 도화지, 가위, 테이프, 종이컵을 준비합니다! 백열전구는 깨지지 않도록 조심해서 다뤄야 합니다.



그리고 아래의 순서와 같이 진행합니다!

 

하나! 종이컵 아랫부분과 옆 부분에 +모양으로 칼집을 낸다.

둘! 주어진 압전소자의 전선을 전구의 나사모양에 한바퀴 돌려 감는다.

셋! 감긴 전선위에 절연 테이프를 이용하여 고정시켜준다.

 


넷! 종이컵 아랫부분에 압전소자를 통과시킨 후, 전구를 장착한다.

다섯! 압전소자의 머리 부분을 종이컵 옆 부분에 통과시켜 밖으로 뺀다.

여섯! 전구 밖에 손가락을 대고 압전소자를 누른다.

 

그 결과! 반짝반짝~ 빛이 나오는데요~! 뒤에 검은 종이를 대거나 어두운 곳에서 실험을 하면 더 잘보이겠죠?! 

 


과연 어떤 원리로 플라즈마(빛)가 발생하는 걸까요?

발생 원리를 이해하기 위해서는 우선 압전소자에 대해서 먼저 알아야 하는데요, 압전소자(압전기)는 피에조 전기를 만들어 냅니다. 수정 등의 결정이나 고분자의 고체에서, 일정한 방향으로 힘을 가하면 전기적으로 극성을 띤 분자들이 전체적으로 정렬하여 물체가 전기를 띠는 유전분극 현상이 나타나는데요. 이를 압전효과라 부르며, 이때 생기는 전하를 압전기 또는 피에조 전기라고 합니다.

 

반대로 물질에 전기적인 방법으로 유전분극을 일으키게 하면 변형이 생깁니다. 이들 현상은 우리 생활 속 가까이에서도 확인할 수 있는데요. 마이크로폰 등의 음파탐지기처럼 압력을 전기적 신호로 바꾼다든지, 가스의 점화장치처럼 역학적 에너지를 전기적 에너지로 바꾼다든지, 쿼츠 시계의 발진장치처럼 전기적 에너지를 역학적 에너지로 바꾼다든지 하는 데에 이용되고 있습니다.



발생기 실험에서 백열전구를 사용하는데요, 전구 안에는 아르곤, 질소 등이 채워져 있습니다. 압전소자에서 생성된 고주파 고전압을 전구의 필라멘트에 걸어주면 필라멘트로부터 전자가 전구 표면에 올린 손과 필라멘트에 의해 만들어지는 전기장에 따라 전구 내부로 방출됩니다. 이렇게 방출된 전자는 전구 내부의 가스와 충돌하여 가스 또는 이온화 시키면서 빛을 방출합니다. 이런 원리로 간단하게 백열전구 안에 플라즈마를 만들 수 있는 것이죠!

 

이렇게 구하기 쉬운 재료를 활용하여 플라즈마 발생기를 만들어보니 재미도 있고, 플라즈마 발생에 대한 원리도 이해가 쏙쏙! 되는데요! 다음 Fusion 탐구 시간에도 더욱 재미있는 실험으로 다시 만나요~

 


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