안전한 직류, 교류 전원 실험장치

2003년 4월 8일

서울강남초 교사 강성기

 들어가는 말

전류는 건전지 등에서 나오는 직류 전기와 가정이나 공장 등 우리의 일상 생활에 이용되는 교류 전기로 나뉩니다.

이러한 직류 전기와 교류 전기는 어떠한 형태로 흐르며, 어떠한 성질을 갖게 되는 것일까요?

건전지 등의 직류 전기는 1.5V 나 9V, 12V 등으로 전압이 높지 않기 때문에 실험용으로 사용해도 위험하지는 않습니다. 그러나 교류 전원은 220V로 전압이 높기 때문에 실험용으로 사용하기에는 대단히 위험합니다.

그러면 직류 전기와 교류 전기를 안전하게 실험해 볼 수 있는 장치를 만들 수는 없을까요?

(1) 직류 전기의 모습

[전기로 쓴 글씨]

필요한 것은

종이컵, 요오드화 칼륨, 9V 건전지, 집게 전선, 연습장

어떻게 할까요
 

1. 종이컵에 물을 1/3정도 넣고 요오드화 칼륨을 조금 넣어 녹인다.

2. 요오드화 칼륨을 붓에 찍어 연습장의 곳곳에 묻혀 적신다(연습장에 흠뻑 묻혀 충분히 적신다).

3. 9V 건전지의 양극에 집게 전선을 연결한다.

4. 음극에 연결한 선을 왼손으로 연습장에 고정시키고, 양극에서 연결한 전선으로 그림을 그리거나 글을 써보자. 놀이로 나타난 결과를 가지고 실제 응용할 수 있게 펜으로 만들어 보자.

[전기 펜 만들기]

필요한 것은

종이컵, 요오드화 칼륨, 9V 건전지, 집게 전선, 연습장

어떻게 할까요

1. 볼펜의 뚜껑을 열어 심을 빼낸다.

2. 건전지의 양극에서 연결한 선을 심에 끼우고 볼펜의 뚜껑을 끼운다.

3. 음극에서 연결한 전선을 연습장에 고정시키고 양극의 전선을 연결한 볼펜으로 그림을 그리거나 글을 써보자.

[전기로 만든 자석]

1. 에나멜선을 직경 5cm 정도의 크기로 50번 정도 감아 코일다발을 만든다.

2. 코일 다발의 양끝 에나멜선 끝부분을 칼로 벗겨낸다.

3. 에나멜선의 끝부분에 건전지를 연결한다.

4. 건전지를 연결한 코일에 작은 자석이나 핀을 가까이 가져가 보자. 실패에 에나멜선을 감아 건전지를 연결하여 작은 못을 실패 구멍 속에 넣어 전류를 흐르게 또는 흐르지 않게 하면서 반응을 관찰하여 보자.

생각해 볼까요?

전류란 전하의 움직임을 말하는데, 전하는 양극에서 음극으로 이동합니다. 직류 전기는 한 전선에서는 양극이, 또 한 전선에서는 음극이 나오는데, 요오드화 칼륨 용액은 전기 분해에 의해 종이의 녹말 성분과 반응하여 양극에서 보라색 실선으로 나타납니다.

즉, 두 선을 동시에 요오드화 칼륨을 묻힌 종이에 대고 그리면 보라색 선으로 나타나는 것이 양극이며, 아무 반응을 보이지 않는 것이 음극입니다.

만약에 두 선을 동시에 대고 긋지 않는다면 아무 반응을 볼 수 없을 것입니다.

또, 건전지에 코일 다발을 연결하면 방향이 일정한 자기장을 형성하기 때문에 자석의 성질을 갖게 되어 작은 자석이나 핀 등을 끌어당기고 건전지를 떼어내게 되면 자석이나 핀이 떨어지게 되는 전자석이 됩니다.

다음 놀이에서 소개하는 교류 전기에서 건전지를 연결한 코일에 자석을 갖다대면 어떻게 반응하는지 비교해 보세요.

(2) 교류 전기의 모습은?

  소형 카세트나 오락기를 220V 교류 전원에 연결하여 사용하는 네모난 작은 장치를 아시죠? 이것은 가정용 220V를 9V나 12V 직류 전원으로 변환시키는 '아답타' 라고 하는 것입니다. 아답타는 건전지와 같은 직류 전원 장치이기 때문에 그리 위험하지는 않으며 앞의 직류 전기 펜 놀이에서는 아답타의 두 선을 이용하는 방법이 훨씬 더 편리합니다.

아답타에서 나오는 전류는 직류 전기지만 12V 교류 전기를 뽑을 수 있는 방법을 설명하고자 합니다. 12V 교류 전기는 220V 교류 전원보다는 위험하지 않기 때문에 안심하고 활용할 수 있답니다. 지금부터 설명하는 방법대로 12V 교류 전원을 연결하여 여러 가지 놀이를 해봅시다.

필요한 것은

아답타, 드라이버, 전선, 절연 테이프, 종이컵, 요오드화 칼륨, 집게 전선, 연습장, 에나멜선, 작은 자석

어떻게 할까요
 

[안전한 교류 전기 (9V, 12V)장치 만들기]

1. 드라이버를 이용하여 아답타의 뚜껑을 연다.

2. 12V의 교류 전기가 정류기를 통과하기 전의 지점에 칼로 에나멜선을 긁어내고 전선을 연결하면 12V의 교류 전원을 연결한다.

3. 아답터의 뚜껑을 닫고 교류 전원과 직류 전원을 구별하여 사용한다.

★ 아답타는 220V나 110V의 교류 전기를 12V나 9V의 직류전기로 바꾸어 주는 역할을 한다.

즉, 가정용 교류 전기를 건전지와 같은 용량으로 바꾸어 소형카세트나 오락기 등에 사용하는 장치를 말한다.

아답타는 220V의 교류 전기가 1차 전압에 입력되어 2차 전압으로 유도되어 12V의 교류 전기로 바뀌고 다시 정류기를 통하여 12V 직류 전기로 변환되어 출력되는 것이다.

즉, 12V의 교류 전기가 정류기를 통과하기 전의 2차 전압 지점의 부분의 에나멜선을 칼로 긁어내고 전선을 연결하면 12V의 교류 전원을 얻을 수 있다.

위의 지점을 정확히 찾기가 어려우면 전파사나 전기를 취급하는 곳에 문의하여 도움을 받도록 하는 것이 가장 안전한 방법이다.

아답타의 기존에 연결된 두 선은 12V 직류 전원이므로 직류전기의 실험을 할 때 활용하도록 하고, 새로이 연결한 12V 교류 전원은 다음의 교류 전기 실험을 안전하게 할 수 있으므로 두 선의 구분을 명확하게 해 둘 필요가 있다.

[교류 전기로 쓴 글씨]
 

1. 종이컵에 물을 1/3 정도 넣고 요오드화 칼륨을 조금 넣어 녹인다.

2. 요오드화 칼륨을 붓에 찍어 연습장에 묻힌다(연습장에 흠뻑 묻혀 충분히 적신다).

3. 교류 전원 아답타의 두 선에 집게 전선을 연결하여 연습장에 대고 그림을 그리거나 글을 써보자. 이때 직류 전기 놀이와 마찬가지로 두 선을 함께 연습장에 대어야만 한다. 두 전선을 한꺼번에 사용하여도 되고 한 선은 연습장에 대고 또다른 한 선으로 그림을 그리거나 글을 써보자. 놀이로 나타난 결과를 가지고 실제 응용할 수 있게 펜으로 만들어 보자.
 

[전기 펜 만들기]

1. 볼펜의 뚜껑을 열어 심을 빼낸다.

2. 교류 전원 아답타의 한 선을 심촉에 끼우고 볼펜의 뚜껑을 끼운다.

3. 또 다른 한 선은 연습장에 고정시키고 볼펜으로 그림을 그리거나 글을 써보자.

생각해 볼까요?

소형 카세트나 오락기를 220V 교류 전원에 연결하여 사용하는 네모난 작은 장치를 기억할 수 있을 것입니다. 이는 가정용 220V를 9V나 12V 직류 전원으로 변환시키는 아답타라고 하는 것입니다.

이는 건전지와 같은 직류 전원 장치이기 때문에 그리 위험하지는 않으며 앞의 직류 전기펜 놀이에서도 건전지보다는 아답타의 두 선을 이용하는 방법이 훨씬 더 편리합니다.

지금까지 설명한 방법대로 12V 교류 전원을 연결하여 여러 가지 놀이를 해봅시다.

앞의 직류 전원 놀이 장치에서는 양극의 전선에서만 보라색 실선이 나왔지만 아답타의 교류 전원을 연결한 전선을 연습장에 대고 그으면 보라색 선이 점선으로 나옵니다. 그것도 두 선에서 같이 나옵니다.

직류 전기는 양극(+)과 음극(-)이 구분되어지지만 교류 전기는 각각의 선에서 양극과 음극이 1초에 약 60번씩 +, -가 교차되어 흐르고 있습니다.

연습장에 아답타의 교류 전원을 대고 그으면 양극과 음극이 매우 빠른 속도로 교차되어 흐르기 때문에 보라색 점선으로 나타나게 됩니다.

나타나는 보라색 점선으로 예쁜 그림을 덧붙여 친구에게 편지를 써 보세요.

(3) 교류 전기의 소리

교류 전기는 양극과 음극이 빠른 속도로 교차되어 흐른다는 것을 연습장에 그려지는 선으로 알아보았습니다. 이러한 변화를 소리로 들을 수는 없을까요?

필요한 것은
 

12V 교류 전원 아답타, 집게 전선, 책받침, 에나멜선, 작은 자석

어떻게 할까요

1. 에나멜선을 직경 5cm 정도의 크기로 50번 정도 감아 코일 다발을 만든다.

2. 코일 다발의 양끝 에나멜선 끝부분을 칼로 벗겨낸다.

3. 코일 다발을 바닥에 놓고 작은 자석을 넣고 책받침 등으로 덮는다.

4. 에나멜선의 끝부분에 아답타의 교류 전원을 연결한다.

5. 실패에 에나멜선을 감아 아답타의 교류 전원을 연결하여 작은 못을 실패 구멍 속에 넣어 반응을 관찰하여 보자.

생각해 볼까요?

앞의 직류 전원에 연결한 코일 다발은 작은 자석을 끌어당기기만 하는 전자석이었지만 교류 전원 아답타에 연결한 코일 다발 속의 작은 자석은 이리저리 날뛰고 난리가 났어요. 왜 이런 현상이 일어나는지 생각해 보세요.

교류 전기는 양극과 음극이 매우 빠른 속도로 교차되면서 나오기 때문에 전자석의 역할을 하는 코일 다발의 자기장의 방향이 매우 빠른 속도로 바뀌고 있습니다.

즉, 코일 다발의 전자석의 극이 매우 빠른 속도로 N극과 S극으로 바뀌고 있기 때문에 작은 자석이 코일다발 속에서 작은 자석이 이리저리 붙었다 떨어졌다 하면서 날뛰는 것처럼 보인답니다.

또, 실패 속의 못이 붙었다 떨어졌다 하면서 떨리는 현상도 이와 같은 원리로 설명할 수 있답니다.

(4) 끌려오는 전기

전원 즉, 건전지와 전구가 연결되어야만이 전구에 불이 켜집니다. 그러나 전원과 전구가 연결 되어 있지 않은 상황에서도 불이 켜지는 현상이 생길 수 있습니다.

이는 1차 코일에서 유도된 전류가 2차 코일로 유도되어 전구에 불이 켜지는 것입니다. 다음의 놀이에서 이와 같은 현상을 발견하여 보시기 바랍니다.

필요한 것은

12V 교류 전원 아답타, 집게 전선, 에나멜선, 꼬마 전구(다이오드), 작은 자석

어떻게 할까요

1. 에나멜선을 직경 5cm 정도의 크기로 200번 정도 감아 코일 다발 두 개를 만든다.

2. 두 개의 코일 다발의 양끝 에나멜선 끝부분을 칼로 벗겨낸다.

3. 1개의 코일 다발에 꼬마 전구를 연결한다.

4. 또다른 1개의 코일 다발에 교류 전원 아답타를 연결하고, 꼬마 전구가 연결된 코일 다발에 가까이 가져가 보자.

5. 꼬마 전구가 연결된 코일 다발을 물이 든 비커 속에 넣고 교류 전원을 연결한 코일 다발을 가까이 가져가 보자.

생각해 볼까요?

교류 전원을 연결한 1차 코일 다발에 꼬마 전구를 연결한 2차 코일 다발을 가까이 가져가면 꼬마 전구에 불이 켜지게 됩니다. 꼬마 전구의 코일 다발은 아무 선에도 연결되지 않아 전류가 흐를 수 없는데도 불이 켜지는 것은 왜일까요?

1차 코일의 전류가 2차 코일로 이끌려가 꼬마 전구에 불이 켜지게 되는 것입니다. 이러한 전류를 '유도 전류'라고 하는데 물이 든 비커 속에서도 꼬마 전구의 불이 켜지게 됩니다.

이는 물 속에서도 유도 전류가 발생할 수 있다는 사실을 확인시켜 주는 것이라 할 수 있습니다.