안녕하세요. 이원영 전문가입니다.
전기·전자
Q. 검전기에 적용된 과학적 원리는 어떻게 되나요?
안녕하세요. 이원영 과학전문가입니다.비접촉식 검전기는 일반적으로 정전 유도에 의한 전압 검출 방식을 채용하고 있습니다. 피측정물에 검전기를 연결한 경우 피측정물과 검전기의 사이에는 정전용량이 생성됩니다. 동일하게 검전기와 인체, 인체와 대지 사이에도 정전 용량이 생성되어 피측정물이 활전 상태인 경우 검전기 및 인체를 경유하여 미세한 교류 전류가 흐릅니다. 이 미세한 교류 전류를 검전기 내부의 고저항으로 검출하고 빛 및 소리로 변환하여 표시합니다. 또한 흐르는 전류는 1 마이크로 암페어 미만이며 인체에 위험은 없습니다.
화학
Q. 수소 핵융합 반응은 어떻게 이루어지나요?
안녕하세요. 이원영 과학전문가입니다.수소핵융합반응은 1개의 양성자로 이루어진 수소원자핵(1H) 4개가 연쇄반응을 거쳐 2개의 양성자와 2개의 중성자로 이루어진 헬륨원자핵(4He) 1개가 되는 과정이다. 1H＋1H → 2H＋e+＋ν : 2개의 수소핵이 결합하여 1개의 중수소핵이 되면서 양전자와 뉴트리노를 방출한다. 2H＋1H → 3He＋γ : 중수소핵과 수소핵이 결합하여 질량수 3인 헬륨핵이 되면서 감마선을 방출한다. 3He＋3He → 4He＋1H＋1H : 2개의 질량수 3인 헬륨핵이 결합하여 질량수 4인 헬륨핵과 수소핵 2개가 만들어진다.여기서 e+는 양전자, ν는 중성미자(뉴트리노), γ는 광자이다. 2H는 양성자 1개와 중성자 1개로 이루어져 있다. 일반적인 수소인 1H보다 중성자를 하나 더 포함하고 있어 무거운 수소라는 뜻으로 중수소라고 한다. 이 과정에서 첫 번째와 두 번째 반응은 각각 두 번씩 일어난다.항성에서는 이와 같은 반응이 연쇄적으로 일어난다. 이를 밝혀낸 과학자는 한스 베테(Hans Bethe, 1906~2005)다.핵융합 과정에서 핵끼리 합쳐져 새로운 원자핵을 만들 때 충돌하기 전 핵들의 질량의 합과 핵융합으로 합성된 핵의 질량이 다르다. 베테는 이 질량 차이는 아인슈타인의 질량-에너지 동등성 공식에 의해 에너지로 방출되며 이 에너지가 항성이 내뿜는 에너지라고 설명했다.베테는 핵융합에 대한 이론을 확립하였으며 수소 핵융합의 에너지가 항성 에너지의 기원임을 밝혀낸 공로로 1967년 노벨 물리학상을 수상한다.
물리
Q. 중력 수축 에너지는 어떤 말인가요??
안녕하세요. 이원영 과학전문가입니다.중력 수축 에너지란 중력에 의해 물체가 전체의 중심으로 잡아 당겨지면서 위치 에너지가 감소하는 그 만큼 발생하는 운동 에너지를 말한다.중심부에 핵융합반응에 의한 에너지원을 가지지 않은 별이 자신의 무게로 해서 준정적으로 수축해가는 일을 말한다. 이 때 중력과 항성 내부의 압력차가 유지되고 있으며, 힘의 균형이 깨지기 때문에 일어나는 중력붕괴와는 다르다.때 중력과 압력구배(壓力勾配)의 역학적 평형(力學的平衡)은 유지되고 있으며, 힘의 균형이 깨지기 때문에 일어나는 중력붕괴와는 다르다. 중력수축에 의해서 중력에너지가 해방되고, 그 일부가 별의 표면에서 빛으로 방출되는 에너지를 보충하고, 나머지가 내부에너지 증가에 쓰인다. 그 결과, 방사수송(放射輸送) 등에 의해서 별 중심부의 엔트로피는 줄어드는 데도 불구하고 중심부의 온도는 높아진다. 이것은 별과 같은 자기중력계(自己重力系)의 특징이며, 별은 겉보기에는 마이너스의 비열(比熱)을 갖는다고 한다.성간(星間)가스에서 갓 태어난 별은 내부온도가 아직 낮기 때문에 수소의 핵융합반응은 일어나지 않는다. 그 때문에 중력수축을 계속하고, 중심부의 온도가 충분히 높아지면 주계열성(主系列星)에 정착한다. 또, 주계열성의 단계를 마치고, 헬륨의 중심핵이 생긴지 얼마 안 되는 별의 핵은 중력수축하여 헬륨의 핵융합반응이 시작될 때까지 중심부의 온도가 높아진다.이와 같이 별은 중력수축과 핵융합반응을 되풀이 하면서 고온 ·고밀도 상태로 진화하고, 새로운 원소를 합성해 나간다. 이런 뜻에서 중력수축은 별이 진화하여가는 원동력이라고 할 수 있다. 중력수축은 열이 중심부에서 표면으로 옮겨짐에 따라서 진전되므로 그 단계의 수명은 열수송 시간으로 결정되며, 주계열성의 수명에 비하면 매우 짧다. 이것을 켈빈의 시간척도라고 한다. 헬륨의 중심핵이 중력수축하면 별의 외층(外層)은 그 반동으로 팽창한다. 그 결과, 별은 H-R도(圖) 위를 왼쪽에서 오른쪽으로, 즉 고온쪽에서 저온쪽으로 가로지른다. 이 이동은 빠르기 때문에 H-R도 위에서 별의 수효가 적은 영역이 생긴다. 이것을 헤르츠스프룽 갭이라고 부른다.
화학
Q. 자외선의 종류는 어떤 것들이 있는지 궁굼 합니다
안녕하세요. 이원영 과학전문가입니다.자외선의 종류태양은 광범위한 파장을 가진 빛 에너지를 방출한다. 가시광선의 파란색이나 보라색 광선보다 더 짧은 파장을 가진 자외선 복사는 살갗을 태우고 건강에 해로운 영향을 준다. 성층권에 존재하는 오존층은 대부분의 해로운 자외선이 지구상의 생명체에 도달하는 것을 막아준다. 그러나 성층권의 오존층이 얇아지면 지표에 도달하는 자외선 복사량이 증가한다.과학자들은 UV-C, UV-B, UV-A 세 가지 종류로 UV 복사를 분류한다. 성층권 오존층은 이러한 종류의 UV를 모두 흡수하는 것이 아니라 일부분을 흡수한다.(1) UV-A (320~400nm) : 오존층에 흡수되지 않는다. 파장영역이 0.32~0.40㎛에 해당하는 자외선 UV-A 는 UV-B에 비하여 에너지량이 적지만 피부를 그을릴 수 있다. 피부를 태우는 주역은 UV-B이지만 UV-A는 피부를 벌겋게 만들 뿐 아니라 피부 면역 체계에 작용하여 피부 노화에 따른 장기적 피부 손상을 일으킬 수 있다. 최근에는 UV-A 노출 시간이 피부를 그을릴 정도로 길어지면 피부암 발생의 위험이 UV-B의 경우와 같아진다는 연구 결과가 보고되기도 하였다. 자외선이 인체에 도달하면 표피층 아래로 흡수되는데, 이 해로운 광선에서 피부를 보호하기 위하여 인체 면역 작용이 발동한다. 그 예로 일부 세포는 자외선에 노출될 때 멜라닌이란 검은 색소를 생성하는데 그것이 자외선의 일부를 흡수한다. 따라서, 백인종과 같이 멜라닌을 적게 생성하는 사람은 UV-B에 대한 자연적 보호막도 적은 셈이다.(2) UV-B (280~320nm) : 대부분은 오존층에 흡수되지만, 일부는 지표면에 도달한다. 지구에 극소량이 도달하는 UV-B는 파장영역이 0.28~0.32㎛에 해당하는 자외선이다. UV-B는 동물체의 피부를 태우고 피부 조직을 뚫고 들어가며 때로는 피부암을 일으키는데, 피부암 발생의 원인은 대부분 태양 광선의 노출 및 UV-B와 관련이 있다. 또, UV-B는 피부에서 프로비타민 D를 활성화시켜 인체에 필수적인 비타민 D로 전환시킨다.(3) UV-C (100~280nm) : 오존층에 완전히 흡수된다. 파장영역이 0.20~0.29㎛인 자외선 중 UV-C는 염색체 변이를 일으키고 단세포 유기물을 죽이며, 눈의 각막을 해치는 등 생명체에 해로운 영향을 미친다. 다행히 UV-C로 알려진 이 범위의 자외선은 성층권의 오존에 의해 거의 모두 흡수된다.
지구과학·천문우주
Q. 별의 생성과정은 어떻게 되나요???
안녕하세요. 이원영 과학전문가입니다.별의 탄생 메커니즘은 우주공간에존재하는 성간 물질과 관련이 깊어요.성간 물질은 우주공간에 존재하는기체와 먼지들을 뜻하는데요.이러한 물질들로 부터 별이 탄생한다고 알려져 있습니다.그러나 성간 물질이 있는 모든 곳에서 별이 탄생하는 것은 아닙니다.별은 성간 물질의 밀도가 높고,온도가 상대적으로 낮은 곳에서 태어난다고 알려져 있습니다.성간 물질의 밀도가 높고 온도가낮은 영역에서는 물질들의운동에너지가 적어 비교적 쉽게성간운이 수축하며이 수축으로 인해서 중력적으로더 낮은 에너지 상태를 갖게 되는데요.중심의 수축부분이 일정 밀도에 이르면 압력이 증가하고 정역학적평형(중력과 압력에 의한 힘이 평형을이루는 상태)이 이루어집니다.이러한 중심지역에 형성된 천체를 원시별이라 부르죠.성간운이 수축하는 과정이 계속 진행될수록 중심 온도가 높아지게 되는데 중심온도가 약 1800K까지올라가게 되면 수소분자가 해리되어 수소원자가 됩니다.이 해리되는 과정은 흡열과정이며, 압력에 기여해야할 에너지들이 해리 과정에서 소모되면, 정역학적 평형을 이룰 수 없게 됩니다.따라서 원시별의 중심은 다시 수축을 시작하고 주변의 물질들은 계속해서 유입되며 원시별의 내부 온도가충분히 높아지면 중심핵에서 핵융합반응이 시작되고,여기서 나오는 에너지로 압력에 의한힘이 중력과 평형을 이루게 되면 안정된 주계열 별이 됩니다.
지구과학·천문우주
Q. 이제 우리나라도 지진안전 지대가 아닌가요?
안녕하세요. 이원영 과학전문가입니다.우리나라는 어느정도 지진에 대해서 안전지대라 할 수 있습니다. 태평양 지진대는 일본을 포함하고 있는 데 우리나라는 다소 떨어진 곳에 있어 상대적으로 안전하다고 할 수 있습니다.
물리
Q. 지퍼백은 어떤 원리로 밀폐되게 하는 건가요??
안녕하세요. 이원영 과학전문가입니다.전자 현미경으로 확대한 사진입니다.이거 보시면 금방 이해하시리라 생각됩니다.이렇게 이중으로 외부와 내부가 차단되는 것입니다. 그래서 거의 밀봉이 됩니다.
지구과학·천문우주
Q. 지구는 왜 자전축이 기울어져 있을까요?
안녕하세요. 이원영 과학전문가입니다.태양계가 생긴 것은 지금으로부터 약 45~47억 년 전이다. 당시 태양계는 지름이 어마어마하게 큰 거대한 성운이 회전하면서 만들어지기 시작했다. 성운의 성분 중에 원자들이 주축인 구름이 만유인력에 의하여 태양이라는 별로 탄생하게 된다. 그리고 그 주변의 찌꺼기들이 지구를 비롯한 태양계의 행성과 그 행성을 도는 위성들을 형성하게 된다. 학자들은 행성들의 자전축이 기울어진 이유는 태양계의 행성들이 형성되기 시작할 때쯤 태양계 내의 무수한 소행성들이 있었는데 태양의 만유인력으로 인해 이러한 소행성이 태양계 내에서 운동하다가 각 행성과 부딪히면서 그 충돌로 인해 자전축이 기울어졌다고 보고 있다. 당시의 소행성들은 무지막지하게 커서 각 행성과 부딪힐 때 그 행성의 운동 자체에 엄청난 영향을 줄 수가 있었고 그러한 충격들이 누적되어 자전축이 기울어진 상태가 되었다는 것이다. 그리고 어느 순간부터 그러한 충돌이 줄어들어 더 이상의 충격은 없게 되어 그 상태에서 더 이상의 변화는 없이 관성에 따라 자전축이 기울어진 상태로 태양을 공전하며 지금까지 왔다고 주장한다.
전기·전자
Q. 안테나 길이와 모양은 왜 다른지요?
안녕하세요. 이원영 과학전문가입니다.안테나의 작동 원리는 전압은 안테나에 전기장을 형성하고, 전류는 자기장을 형성한다. 안테나 팁은 안테나 베이스와 함께 커패시터로서 기능하는데, 이때 커패시터의 두 판은 서로 멀리 떨어져 있는 상태가 된다. 안테나의 팁과 베이스 사이에 전압이 작용하면, 전기장이 형성되고, 전기력선은 안테나 로드에 나란하게 방출된다. 교류전압 주기 중에 전압이 상승하거나 하강하면, 안테나 로드를 통해 전류가 흐르고, 코일처럼 기능하여 자기장을 생성한다. 자기력선은 안테나 로드 주위에 링처럼 배열된다. 전기장 및 자기장은 교대로 바뀌고, 송신 안테나에 의해 서로 간에 직각을 이루며 방사된다. 이들을 합쳐서 전자기파라고 한다. 송신용 안테나나 수신용 안테나도 기본원리는 같으나, 사용하는 주파수에 따라 모양이 여러 가지로 달라진다. 안테나를 효율적으로 작동시키기 위해서는 안테나를 사용하는 주파수에 공진시킬 필요가 있다. 수직형 안테나는 동축 안테나 또는 슬리브 안테나라고도 하는데 그 길이를 사용하는 파장의 1/4 또는 1/2로 공진하지만, 실제로는 안테나가 너무 길어지므로 코일이나 콘덴서를 사용해서 공진시키고 있다. 단파나 초단파에서는 파장이 짧으므로 1/2파장의 안테나를 쓰고 있다. 동축 안테나는 택시 무선이나 기타 초단파를 사용하는 통신 장치의 송수신 안테나로서 많이 사용된다.[7] 자동차 안테나가 송수신을 잘하려면 자동차 주변의 모든 방향에서 전송할 수 있어야 한다. 따라서 안테나의 최적 위치는 장애물이 없고, 바닥에서 높을수록 좋다. 또한 라디오나 내비게이션 등 송수신 장비와 거리가 너무 멀지 않아야 한다. 그리고 엔진은 수신을 방해할 수 있는 스퓨리어스 노이즈를 생성하기도 하므로 엔진에서 최대한 멀리 떨어져 있어야 좋다. 이러한 조건을 모두 고려했을 때 차량에 안테나를 설치하기 좋은 위치는 지붕, 뒷유리, 펜더 및 범퍼, 트렁크 커버, 사이드미러 등이 있다. 이 중에서 지붕과 뒷유리는 지상에서 높고 주변에 장애물이 없기 때문에 모든 방향으로 송수신하기 좋다. 따라서 대부분의 차량이 지붕 또는 뒷유리에 안테나를 설치한다
전기·전자
Q. 거울이 빛을 반사를 하는 원리가 궁굼 합니다.
안녕하세요. 이원영 과학전문가입니다.평면 거울은 매끄러운 평면으로 구성되어 있으며, 빛은 수평선과 같은 각도로 거울 표면에 닿을 때 반사됩니다. 이때 반사되는 빛의 각도는 입사각과 동일하게 됩니다. 예를 들어, 빛이 거울에 수직으로 닿으면 반사되는 빛은 수직으로 나아가게 됩니다. 또한, 빛이 거울에 어떤 각도로 닿게 되면, 반사되는 빛은 동일한 각도로 거울의 반대쪽으로 반사됩니다.