안녕하세요. 구본민 전문가입니다.
Q. 에너지 하베스팅 소자는 무엇을 말하나요?
안녕하세요. 구본민 박사입니다.에너지 하베스팅(Energy Harvesting)은 주변 환경에서 소량의 에너지를 수집하여 전력으로 변환하는 기술을 의미합니다. 이러한 기술을 사용해 에너지 하베스팅 소자는 자연적 혹은 인공적인 에너지(빛, 열, 진동, 전자기파 등)에서 에너지를 수집해 소형 전자 장치나 센서와 같은 기기의 전력 공급에 사용됩니다. 에너지 하베스팅 소자의 대표적인 예시를 들어 보겠습니다. 태양광 하베스팅 소자 : 태양광을 전력으로 변환하는 태양전지를 이용해 에너지를 수집하는 소자입니다. 스마트 워치나 계산기 등에 자주 쓰입니다.열 에너지 하베스팅 : 온도 차이를 이용해 열 에너지를 전기로 변환하는 기술입니다. 이 방식은 자동차의 배기가스, 기계 작동 시 발생하는 열과 같은 열원에서 에너지를 추출할 수 있습니다.진동 에너지 하베스팅 : 압전 효과를 이용해 진동이나 압력에서 에너지를 추출하는 소자입니다. 이를 통해 기계나 사람의 움직임에서 발생하는 진동을 전력으로 변환할 수 있습니다.전자기파 에너지 하베스팅 : 주변의 라디오 주파수(RF) 신호, 와이파이, 휴대폰 신호 등에서 소량의 전자기파 에너지를 수집해 소형 전자 기기의 전력으로 사용하는 방식입니다.이러한 기술은 사물인터넷(IoT) 기기, 웨어러블 디바이스, 스마트 센서 등에서 전력 소비를 줄이거나 배터리 교체를 최소화 하기 위해 많이 연구되고 있으며, 지속 가능한 에너지 원으로 주목 받고 있습니다.
Q. 단상2선식과 단상3선식의 개념을 알려주세요.
안녕하세요. 구본민 박사입니다.단상 2선식과 단상 3선식은 모두 단상(1상) 전기 시스템에서 사용하는 배선 방식인데요, 둘 사이에는 몇가지 중요한 차이점이 있습니다. 이 차이점은 전압 수준과 배선 구성에 따라 구분 됩니다. 각각 설명을 하면 다음과 같습니다. 단상 2선싱구성: 전선 2가닥으로 이루어진 전기 시스템입니다. 하나는 전압을 공급하는 선(활선, 또는 "라인"이라 불리는 L선)이고, 다른 하나는 중성선(Neutral, N선)입니다.전압: 일반적으로 220V로 공급되는 경우가 많습니다. (한국 기준 가정용)용도: 단상 2선식은 일반적으로 가정용 전기 시스템에서 사용됩니다. 간단한 전기 기기나 조명, 소형 가전제품을 구동하는 데 적합합니다.작동 원리: 한 선(L선)은 전기를 공급하고, 다른 선(N선)은 회로를 완성하여 전류가 흐르게 합니다. 이 방식은 기본적으로 하나의 전압 차이를 이용해 전기를 공급합니다.단상 3선식구성: 전선 3가닥으로 구성된 전기 시스템입니다. 두 가닥의 핫선(활선, Line)과 하나의 중성선(Neutral)이 있습니다.전압: 일반적으로 두 가지 전압을 제공합니다. 핫선과 중성선 간의 전압(예: 120V)과, 두 핫선 간의 전압(예: 240V)으로 사용할 수 있습니다.핫선 A와 중성선 간: 120V핫선 B와 중성선 간: 120V핫선 A와 핫선 B 간: 240V용도: 단상 3선식은 주로 가정용과 산업용 전기 시스템에서 사용됩니다. 특히 대형 가전제품(예: 전기레인지, 에어컨, 전기난로)이나 고전력 장치를 위한 240V 전원이 필요할 때 사용됩니다.작동 원리: 중성선은 두 핫선에서 각각 전류를 분리하여 사용할 수 있게 합니다. 두 핫선(A와 B) 간의 전압 차이를 이용하면 240V가 나오고, 각 핫선과 중성선 간에는 120V가 나옵니다. 이 방식은 낮은 전압(120V)과 높은 전압(240V)을 모두 사용할 수 있어 유연하게 전력 공급이 가능합니다.차이점단상 2선식전선수 : 2가닥(라인 + 중성선)전압 : 220V(한국 기준)용도 : 가정용, 소형 전자기기전압 선택 : 하나의 고정전압(220V)적용 사례 : 소형가전, 조명, TV등단상 3선식전선수 : 3가닥(핫선 A, 핫선 B, 핫선 C)전압 : 120V(핫선-중성선), 240V(핫선A - 핫선 B)용도 : 가정용(대형 전지 기기), 산업용전압 선택 : 120V 또는 240V적용 사례 : 전기 레인지, 대형 에어컨, 전기히터, 산업용 기기정리해 보면, 단상 2선식은 주로 간단한 가전기기나 소규모 전력 수요에 적합한 방식이고, 단상 3선식은 다양한 전압을 제공해 대형 전자 기기와 소형 전자기기 모두를 유연하게 구동할 수 있는 시스템입니다.
Q. 핵 EMP현상에서의 전자기유도 현상
안녕하세요. 구본민 박사입니다.EMP(전자기 펄스, Electromagnetic Pulse) 현상은 강력한 전자기 유도를 통해 전기 및 전자 장비에 심각한 영향을 미치는 현상입니다. EMP와 전자기 유도(Electromagnetic Induction) 사이에는 밀접한 관계가 있습니다. EMP는 전자기파를 통해 매우 강력한 전기장과 자기장을 일으키고, 그로 인해 전자기 유도 현상이 발생하여 주변의 전기 회로에 영향을 줍니다. 이 과정을 더 자세히 설명드리면 다음과 같습니다.전자기 유도 현상(Electromagnetic Induction)의 기본 개념전자기 유도는 변화하는 자기장이 도체 내에서 전류를 유도하는 현상입니다. 이 원리는 패러데이의 법칙에 의해 설명되며, 간단히 말해 시간에 따라 변화하는 자기장이 전류를 발생시킨다는 뜻입니다.패러데이의 법칙: 자기장의 변화율에 비례하여 전류가 유도된다.이 과정에서 자기장의 변화가 클수록 유도 전압도 커집니다.EMP현상의 원리EMP는 핵폭발, 태양풍, 또는 고에너지 전자기기에서 발생할 수 있으며, 매우 짧은 시간 동안 고출력의 전자기파를 방출합니다. EMP는 강력한 전자기파가 생성되어 주변의 전기 장치와 전자기기들에 영향을 미칩니다.EMP의 발생은 일반적으로 다음 두 가지로 나뉩니다:핵 EMP(Nuclear EMP): 고고도에서의 핵폭발이 대기권에 강력한 전자기파를 방출하여 발생. 고고도 핵 EMP(H-EMP)는 전자기 유도 현상을 통해 지상의 넓은 범위에 걸쳐 전기장치를 손상시킬 수 있습니다.비핵 EMP(Non-nuclear EMP): 핵폭발 없이 전자기기나 무기 시스템에서 인위적으로 생성된 EMP. 이러한 EMP는 주로 제한된 범위 내에서 영향을 줍니다.전자기 유도와 EMP의관계EMP 현상에서 전자기 유도는 매우 중요한 역할을 합니다. EMP가 발생할 때, 빠르게 변화하는 강력한 전자기장이 주변의 전기 회로와 도체들에 유도 전류를 생성합니다. 이 과정은 다음과 같이 이루어집니다:강력한 전자기파 발생: EMP는 고주파의 전자기파를 발생시키며, 그 파동이 주변을 빠르게 퍼져나갑니다.자기장의 급격한 변화: 전자기파는 매우 빠르게 변화하는 자기장을 발생시킵니다. 이 변화는 가까이 있는 도체(예: 전기 회로, 통신선, 전력선)에 강력한 유도 전류를 생성합니다.유도 전압 발생: 전자기파가 전기 회로를 지나갈 때, 패러데이의 법칙에 따라 유도 전압이 회로 내에서 발생합니다. 이 유도 전압이 매우 크기 때문에 회로가 과부하를 일으켜 손상되거나 파괴될 수 있습니다.EMP로 인한 피해 매커니즘과도한 유도 전류: EMP로 인해 발생한 유도 전류는 전자 기기 내부의 소자를 과열시키거나 과부하로 인해 손상시킵니다.전기 시스템에 심각한 손상: 송전선, 통신 케이블 등 대규모 전기 인프라에 강한 유도 전류가 흐르게 되어, 변압기나 회로 차단기 등 주요 전기 장치들이 파손될 수 있습니다.정밀 전자기기 파괴: EMP는 정밀 전자기기에 더 큰 영향을 미칩니다. 특히 반도체 칩이나 마이크로컨트롤러 같은 민감한 전자 소자는 낮은 전류에도 쉽게 손상될 수 있습니다.정리해 보면, EMP 현상은 빠르게 변화하는 강력한 전자기파가 발생하면서, 주변의 도체(전기회로)에 전자기 유도를 일으켜 유도 전류와 유도 전압을 생성하는 것입니다. 이 유도 전류가 매번 크면 전기 기기들이 손상되거나 파괴될수 있습니다. 전자기 유도 현상이 EMP의 핵심 작동 원리 중 하나로, EMP가 전기 및 전자 시스템에 치명적인 영향을 미치는 이유가 됩니다.
Q. 커피포트는 무슨원리로 물이 끓여지나요.
안녕하세요. 구본민 박사입니다.집에서 사용하는 커피포트가 물을 끓이는 원리는 매우 간단한 전기 저항을 이용한 전엵(전기 열 발생) 방식입니다. 커피포트 내부에는 물을 가열하기 위한 전기히터(발열체)가 장착되어 있으며, 이 발열체가 전기 에너지를 열 에너지로 변환하여 물을 가열하는 역할을 합니다. 이 과정을 좀더 자세히 설명하면 다음과 같습니다. 전기 저항을 통한 발열 : 커피포트 내부의 발열체(Heating Element)는 주로 금속 저항체로 구성되어 있습니다. 발열체에 전기가 흐를 때, 저항이 있는 물질을 통과하는 전류가 열을 발생시킵니다. 이 현상을 줄(Joule) 효과라고 하는데, 전기 저항이 있는 물질을 전류가 통과하면 열이 발생하는 원리입니다.발열체는 전류가 흐를 때 매우 뜨거워지는 특성을 가지고 있습니다.이 발열체에서 발생한 열이 물로 전달되어 물의 온도가 점점 올라가게 됩니다.물과의 직접 접촉발열체는 커피포트의 바닥이나 일부 디자인에서는 벽면에 위치해 있으며, 물이 발열체에 직접 접촉합니다. 발열체가 뜨거워지면서 물이 가열되어 물 분자가 점차 빠르게 운동하게 되고, 결국 100도에 도달하면 물이 끓기 시작합니다.온도 센서 및 자동 차단 기능 : 대부분의 커피포트는 온도 센서 또는 자동 차단 기능을 갖추고 있습니다. 물이 끓는 순간, 이 센서가 물의 온도가 100도에 도달한 것을 감지하고, 더 이상 물이 가열되지 않도록 전원 공급을 자동으로 차단합니다. 이 기능 덕분에 물이 끓어 넘치는 것을 방지하고, 에너지도 절약할 수 있습니다.바이메탈 스위치나 온도 센서는 물이 끓으면 발열체로 가는 전류를 차단하는 역할을 합니다간단한 구조커피포트는 기본적으로 전원 스위치, 발열체, 온도 센서, 절연 구조로 이루어져 있습니다. 물을 담고 전원을 켜면, 전원이 발열체로 공급되어 물이 가열되고, 물이 끓으면 온도 센서가 전류를 차단하는 구조입니다.요약해서 정리해 보면 전기 히터(발열체)가 전기 저항을 이용해 열을 발생 시킵니다. 이 열이 물에 전달되어 물이 끓습니다. 물이 끓는 순간 온도 센서가 이를 감지하고 전원을 차단하여 과열을 방지합니다.
Q. 길을지나가다보면 전봇대위에 새가 앉아있거나
안녕하세요. 구본민 박사입니다.전봇대나 송전탑 위에 새들이 앉아 있어도 감전되지 않는 이유는 전류의 흐름에 대한 원리와 관련이 있습니다. 전기는 전압 차이가 있을 때만 흐르며, 새들이 송전탑이나 전선 우에 앉아 있을 때 전압 차이가 발생하기 않기 때문에 감전되지 않습니다. 구체적으로 설명 드리면 다음과 같습니다. 전류의 흐름과 전압 차이전기가 흐르기 위해서는 두 지점 간에 전압 차이(전위차)가 있어야 합니다. 전류는 항상 높은 전압에서 낮은 전압으로 흐르기 때문에, 새가 전선 위에 있을 때, 새의 양 발이 같은 전압을 가진 전선 위에 있으면 전압 차이가 발생하지 않습니다. 따라서 새의 몸을 통해 전류가 흐르지 않게 되어 감전되지 않는 것입니다.새는 한 가닥의 전선 위에만 앉아 있음새는 보통 한 가닥의 전선 위에 앉습니다. 한 가닥의 전선은 동일한 전압을 가지고 있기 때문에, 새의 양 발이 같은 전압에 노출됩니다. 전압 차이가 없으므로 새의 몸을 통과하는 전류도 없습니다.만약 새가 동시에 다른 전선이나, 전선과 지면(전위가 다른곳)에 접촉하게 된다면, 전압 차이가 발생하여 전류가 새의 몸을 통해 흐르게 됩니다. 이 경우 감전될 수 있습니다.인간과는 다른 상황사람이 전선에 접촉하는 경우와 새가 접촉하는 경우의 차이는 접촉하는 지점의 전압 차이에서 옵니다. 사람이 전선에 닿으면 전선과 지면 사이에 전압 차이가 있기 때문에, 전류가 사람을 통해 흐르게 되고, 이로 인해 감전됩니다. 특히 사람이 전선을 직접 만지게 되면, 전류가 몸을 통해 지면으로 흐를 수 있어 매우 위험합니다.새들이 전봇대나 송전탑 위체서 안전한 이유송전탑 위에서 새들이 새집을 지어도, 그들은 전선이 아닌 금속 구조물이나 절연된 부분에 머물기 때문에 감전되지 않습니다. 송전탑 자체는 전기가 흐르지 않도록 절연 처리가 되어 있어, 송전탑에 새들이 앉아 있는 것 자체로는 감전되지 않습니다.정리해 보면, 새가 전봇대나 송전탑, 전선 위에서 감전되지 않는 이유는 전압 차이가 없기 때문에 전류가 흐르지 않기 때문입니다. 만약 전압 차이가 발생하는 두 지점을 동시에 건드린다면, 새도 감전될 수 있습니다.