답변 내역

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.초전도체를 임계온도 아래로 식히면 표면에 얇게 전류가 흐르기 시작해요. 이 표면 전류가 외부 자기장과 반대 방향의 자기장을 만들어 내부 자기장을 0으로 지워요. 자기장은 표면에서 수십~수백 nm 깊이까지만 들어가고 그 안쪽은 비어 있어요.저항이 0이라는 것만으로는 이 현상이 설명되지 않아요. 저항이 0인 완전도체는 내부 자기장을 처음 상태 그대로 유지하려고만 해요. 그래서 자석 옆에서 식히면 이미 들어와 있던 자기장이 그대로 갇혀요. 초전도체는 자기장 속에서 식혀도 들어와 있던 자기장을 스스로 밀어내요. 저항이 사라지는 것과는 별개로 초전도 상태가 따로 지닌 성질이에요.이런 일은 전자들이 둘씩 짝(쿠퍼쌍)을 이뤄 물질 전체가 하나의 양자 상태로 움직이면서 생겨요. 이 상태는 내부에 자기장이 있으면 에너지가 높아져서 자기장을 내보내는 쪽이 더 안정해요.자석을 가까이 가져가면 초전도체 안에 거울에 비친 것처럼 같은 극의 자석이 생긴 효과가 나타나서 서로 밀어내요. 이 반발력이 자석 무게를 이기면 공중에 떠요. 실험에서 자석이 기울지 않고 제자리에 머무는 건 자기장 일부가 재료 속 결함에 붙잡히는 자속 고정 현상이 함께 작용해서예요 :)

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.전자기기 안의 회로와 프로세서는 전압과 전류만 다룰 수 있어요. 온도나 압력, 빛은 그 자체로는 회로가 읽을 수 없어서 이걸 전기 신호로 바꿔주는 부품이 필요해요. 그 역할을 센서가 맡아요.가장 흔한 방식은 물리량에 따라 저항이 변하는 재료를 쓰는 거예요. 서미스터는 온도가 오르면 전하를 나르는 전자가 늘어나서 저항이 줄어요. 스트레인 게이지는 힘을 받으면 금속선이 가늘고 길어지면서 저항이 커져요. 빛을 받으면 저항이 낮아지는 황화카드뮴 소자도 같은 방식이에요.스스로 전압을 만드는 센서도 있어요. 서로 다른 두 금속을 붙인 열전대는 온도 차이에 비례하는 전압을 내요. 압전 소자는 눌리면 결정 안의 전하가 한쪽으로 치우치면서 전압이 생겨요. 포토다이오드는 빛을 받으면 전자와 정공이 만들어져 전류가 흘러요. 정전용량을 읽는 방식도 있어요. 터치스크린은 손가락이 닿을 때, 가속도 센서는 내부 전극 간격이 바뀔 때 정전용량이 달라져요.이렇게 얻은 신호는 대개 아주 작아서 증폭기로 키운 뒤 아날로그-디지털 변환기(ADC)로 숫자 값으로 바꿔요. 마이크로컨트롤러는 그 값을 읽고 온도를 표시하거나 화면 밝기를 조절하는 식으로 반응해요 :)

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.연성과 취성은 힘을 받았을 때 원자층이 미끄러지며 변형될 수 있느냐로 나뉘어요. 결정 안에는 원자 배열이 어긋난 선인 전위가 있어요. 이 전위가 움직이면 원자면이 한 칸씩 미끄러지면서 모양이 바뀌어요. 미끄러짐이 쉬우면 크게 늘어난 뒤 끊어지고, 어려우면 거의 변형 없이 깨져요.금속은 자유전자가 원자들을 고르게 붙잡고 있어서 결합에 방향성이 없어요. 원자면이 미끄러져도 결합이 곧바로 다시 이어지니 전위가 잘 움직여요. 구리나 알루미늄처럼 미끄러질 수 있는 면이 많은 구조는 특히 잘 늘어나요.세라믹은 이온결합이나 공유결합이라 사정이 달라요. 이온 결정은 한 칸만 미끄러져도 같은 전하끼리 마주쳐서 강하게 밀어내요. 공유결합은 정해진 방향으로만 이어져 있어서 비틀리면 그냥 끊어져요. 변형으로 힘을 흩어낼 수 없으니 작은 기공이나 미세 균열 끝에 응력이 몰리고, 균열이 한 번에 퍼져요.온도도 영향을 줘요. 일부 강철은 상온에서 잘 늘어나지만 아주 차가워지면 전위가 잘 움직이지 못해 유리처럼 깨져요. 이를 연성-취성 천이라고 해요. 타이타닉호의 선체 강판도 차가운 북대서양에서 이렇게 깨지기 쉬운 상태였어요 :)

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.플라이휠은 모터로 원판을 빠르게 돌려서 그 회전 운동에너지로 에너지를 담아둬요. 꺼낼 때는 같은 모터를 발전기로 돌려 회전을 다시 전기로 바꿔요.저장되는 에너지는 E = ½Iω²예요. I는 관성 모멘트로 질량이 회전축에서 얼마나 멀리 퍼져 있는지를 나타내고, ω는 회전 각속도예요. 같은 질량이라도 꽉 찬 원판보다 테두리에 질량이 몰린 고리 모양이 I가 두 배 커요.질량을 두 배로 늘리면 에너지도 두 배가 되지만 회전속도를 두 배로 올리면 네 배가 돼요. 반지름을 키워도 r²에 비례해서 늘어나요. 그래서 요즘 플라이휠은 무겁게 만들기보다 분당 수만 회전까지 빠르게 돌리는 방향으로 설계해요.그런데 속도를 무한정 올릴 수는 없어요. 빨리 돌수록 테두리를 바깥으로 찢으려는 원심 응력이 커지거든요. 이 한계는 재료의 인장강도를 밀도로 나눈 값으로 정해져요. 무거운 강철보다 가볍고 질긴 탄소섬유 복합재가 더 많은 에너지를 담을 수 있어요.공기 마찰과 베어링 마찰로도 에너지가 조금씩 새어 나가요. 고속 플라이휠은 진공 용기 안에 넣고 자기 베어링으로 띄워서 돌려요 :)

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.돌림힘의 크기는 τ = rFsinθ로 구해요. r은 회전축에서 힘이 작용하는 점까지의 거리, F는 힘의 크기예요. θ는 회전축에서 그 점까지 그은 선과 힘의 방향이 이루는 각도이고, 단위는 N·m를 써요.sinθ가 붙는 건 힘 중에서 회전에 쓰이는 부분만 골라내기 위해서예요. 힘을 반지름 방향과 그에 수직인 방향으로 나눠 보면 반지름 방향 성분(Fcosθ)은 축을 밀거나 당기기만 하고 물체를 돌리지 못해요. 회전을 만드는 건 수직 성분(Fsinθ)뿐이에요. 그래서 θ가 90°일 때 돌림힘이 가장 크고, 0°나 180°면 아무리 세게 밀어도 0이 돼요. r sinθ를 하나로 묶으면 회전축에서 힘의 작용선까지 수직으로 잰 거리가 되는데, 이걸 지레팔이라고 불러요.문을 열 때 경첩 가까이를 밀면 힘이 많이 들고 손잡이 쪽을 밀면 쉽게 열리죠. 문 면을 따라 경첩 쪽으로 밀면 문은 전혀 돌지 않아요. 볼트를 풀 때 긴 스패너를 쓰면 r이 커지니까 같은 힘으로 더 큰 돌림힘을 얻어요.방향까지 따지면 돌림힘은 벡터곱 τ = r × F로 써요. 오른손 네 손가락을 r에서 F 쪽으로 감았을 때 엄지가 가리키는 쪽이 돌림힘의 방향이에요 :)

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.원자가 수없이 모여 고체가 되면 각 원자의 에너지 준위가 겹치면서 넓은 띠로 퍼져요. 전자가 채워진 위쪽 띠가 원자가 띠이고, 그 위의 비어 있는 띠가 전도 띠예요. 둘 사이에는 전자가 머물 수 없는 구간이 있는데 이게 띠간격이에요.전류가 흐르려면 전기장을 받은 전자가 조금 더 높은 에너지 상태로 옮겨 갈 빈자리가 있어야 해요. 원자가 띠가 꽉 차 있으면 만원 버스처럼 누구도 자리를 옮길 수 없어서 전압을 걸어도 전류가 생기지 않아요.금속은 띠가 절반만 채워져 있거나 원자가 띠와 전도 띠가 겹쳐 있어요. 바로 위에 빈자리가 많아서 아주 약한 전압에도 전자가 움직여요.절연체는 띠간격이 커요. 다이아몬드는 약 5.5 eV인데 상온의 열에너지는 0.025 eV 정도라서 전도 띠로 올라가는 전자가 거의 없어요.반도체는 실리콘처럼 띠간격이 1 eV 남짓이라 열을 받은 전자 일부가 전도 띠로 올라가요. 전자가 빠져나간 빈자리(정공)도 전류를 실어 날라요. 금속은 온도가 오르면 원자 진동이 심해져서 저항이 커지는데, 반도체는 올라가는 전자가 늘어나서 오히려 저항이 줄어들어요 :)

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.유전율은 전기장을 걸었을 때 재료 안에서 전하가 얼마나 크게 치우치는지, 즉 분극이 얼마나 잘 일어나는지로 정해져요. 세라믹에서는 전자구름이 밀리는 전자 분극, 양이온과 음이온이 반대로 움직이는 이온 분극, 결정립 경계에 전하가 쌓이는 계면 분극이 함께 작용해요.같은 산화물이라도 알루미나는 유전율이 10 정도인데 티탄산바륨(BaTiO3)은 수천까지 올라가요. 페로브스카이트 구조 안에서 Ti 이온이 중심을 살짝 벗어난 자리를 오가며 큰 쌍극자를 만들어서예요.조성은 이 분극이 잘 일어나는 온도를 옮겨요. Ba 자리에 Sr을 넣거나 Ti 자리에 Zr을 넣으면 큐리온도가 내려가고 상온 유전율이 달라져요. 소량 첨가제로 온도에 따른 변화를 완만하게 만들기도 해요.미세구조의 영향도 커요. 기공 속 공기는 유전율이 1이라서 기공이 많을수록 전체 값이 떨어져요. BaTiO3는 결정립이 1 μm 안팎일 때 유전율이 가장 높고 그보다 작아지면 오히려 낮아져요. 결정립 내부는 전기가 잘 통하고 경계만 절연된 구조라면 계면 분극으로 겉보기 유전율이 매우 커지기도 해요. 이 효과는 주파수가 높아지면 사라져요 :)

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.네, 커져요. 비밀번호가 없는 Wi-Fi는 공유기와 기기 사이를 오가는 전파가 암호화되지 않아요. 그래서 근처에 있는 사람이 주고받는 데이터를 그대로 잡아낼 수 있어요. WPA2나 WPA3 방식으로 비밀번호를 걸어야 이 구간이 암호화돼요.그렇다고 은행 비밀번호가 바로 보이지는 않아요. 요즘 은행이나 쇼핑 사이트는 대부분 HTTPS로 한 번 더 암호화하거든요. 그래도 어떤 사이트에 접속했는지는 드러나요. 보안이 허술한 일부 앱이나 IoT 기기는 통신 내용까지 노출될 수 있어요.외부인이 접속하면 집 내부망 안으로 들어오게 돼요. 그러면 IP카메라나 NAS, 프린터, 공유 폴더에 바로 접근을 시도할 수 있고, 초기 비밀번호를 그대로 쓰는 기기는 쉽게 뚫려요. 공유기 관리자 페이지 비밀번호까지 기본값이면 더 위험해요. DNS 설정을 바꿔 두면 은행 주소를 정확히 입력해도 가짜 사이트로 연결될 수 있어요. 이때는 금융 정보가 직접 새어 나가요.남이 내 회선으로 불법 다운로드를 하거나 범죄를 저지를 수도 있어요. 그러면 접속 기록이 내 IP로 남아서 수사 대상이 될 수도 있어요 :)

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.파동함수 Ψ 자체는 복소수라서 직접 측정할 수 있는 값이 아니에요. 절댓값을 제곱한 |Ψ|²에 아주 작은 부피를 곱하면 그 안에서 전자가 발견될 확률이 돼요. 막스 보른이 처음 제안해서 보른 규칙이라고 불러요.전자를 한 번 측정하면 화면의 한 점에 찍혀요. 어디에 찍힐지는 미리 알 수 없어요. 그런데 같은 상태로 준비한 전자를 수천 번 쏘면 |Ψ|²가 큰 곳에는 점이 많이 쌓이고 작은 곳에는 드물게 찍혀요. 이중 슬릿에 전자를 하나씩 보내도 처음엔 무작위로 흩어지던 점들이 나중에는 간섭무늬를 또렷하게 그려요.Ψ는 위치마다 부호(위상)가 달라요. 그래서 두 슬릿을 지난 파동이 만나면 서로 보강되기도 하고 상쇄되기도 해요. 확률끼리 바로 더하는 게 아니라 Ψ끼리 먼저 더한 뒤 제곱하니까 전자가 거의 오지 않는 어두운 줄무늬가 생겨요.공간 전체에서 |Ψ|²를 모두 더하면 1이 돼야 해요. 전자는 어딘가에는 반드시 있으니까요. 슈뢰딩거 방정식을 풀면 Ψ가 시간에 따라 어떻게 변하는지 알 수 있고, 거기서 위치마다 전자를 발견할 확률을 계산해요 :)

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.불확정성 원리는 측정 기술이 부족해서 생기는 한계가 아니에요. 빛을 쏘면 전자가 튕겨 나가서 오차가 생긴다고 설명하기도 하지만, 그건 일부일 뿐이에요. 전자는 처음부터 위치와 운동량을 동시에 딱 정해진 값으로 갖고 있지 않아요.양자역학에서 전자는 파동으로 기술되고, 운동량은 그 파동의 파장으로 정해져요(p = h/λ). 파장이 하나뿐인 파동은 운동량이 정확해요. 그런데 공간 전체에 고르게 퍼져 있어서 어디 있다고 말할 수가 없어요. 반대로 한 점에 몰린 파동을 만들려면 파장이 서로 다른 파동을 아주 많이 겹쳐야 해요. 그러면 운동량 값도 그만큼 넓게 퍼져요.손뼉 소리를 떠올려 보세요. 손뼉은 언제 쳤는지는 분명하지만 음높이를 말하기 어려워요. 여러 진동수가 한꺼번에 섞여 있어서예요. 길게 울리는 소리굽쇠는 음높이가 하나로 또렷한 대신 시점을 콕 집을 수 없죠. 위치와 운동량도 똑같이 한쪽을 좁히면 다른 쪽이 넓어져요.원자가 찌그러지지 않는 것도 이 원리 덕분이에요. 전자가 핵 가까이 좁게 갇힐수록 운동량의 퍼짐이 커지고 운동에너지도 올라가거든요. 핵이 끌어당기는 힘과 이 에너지가 균형을 이루는 지점에서 원자의 크기가 정해져요 :)