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엄마의 행복 - 바이메탈 목록

조회 : 15808 | 2009-01-05


온도를 조절해야 하는 전기기구에 공통적으로 있는 것은 무엇일까요?
바로 온도 조절 장치이지요.
예를 들어 밥을 따뜻하게 유지하려면 전기보온밥솥에 열을 공급해야 합니다.
그러나 계속해서 열을 공급하기만 한다면, 밥이 숯덩이처럼 타버리겠지요?

전기다리미는 어떤가요?
마찬가지로 열을 적절하게 차단해주지 않는다면, 옷이 타버릴 수도 있어요. 따라서 일정한 온도보다 높으면 열을 차단하고, 낮으면 공급할 수 있는 온도 조절 장치가 필요한 것입니다.
그렇다면 온도 조절 장치는 어떻게 온도를 조절하나요?

 

 




바이메탈의 단면(500배)





그것은 바로 바이메탈이라는 금속을 이용하는 것입니다.
이것이 바로 엄마를 행복하게 만든 신기한 금속이지요.
자! 그럼 바이메탈이 무엇인지 알아볼까요?
이것을 알면 많은 전기기구들의 작동 원리를 알 수 있습니다.



1) 바이메탈, 넌 누구냐?
바이메탈(bimetal)에서 ‘바이’란 ‘둘’을, 메탈은 금속을 의미합니다.
즉 바이메탈이란 두 개의 다른 금속판을 붙인 것입니다.
사진에서 두 금속의 경계면이 보이지요?
이때 두 금속은 열팽창계수가 다르기 때문에 온도의 변화에 따른 팽창하는 정도가 다릅니다.

그렇다면 두 장의 금속을 붙인 것과 떨어진 것은 어떤 차이가 있나요?
두 금속이 따로 떨어져 있다면 온도가 올라가도 길이만 늘어나지요.
다만 열팽창계수가 큰 것이 더 많이 늘어날 뿐입니다.



그림. 두 금속이 떨어져 있을 때 온도 변화에 따른 길이와 모양의 변화
길이


그러나 두 금속이 붙어 있다면 어떻게 될까요?
온도가 올라갈 때 열팽창계수가 큰 것이 더 많이 늘어나는데, 이 둘은 완전히 붙어있기 때문에 열팽창계수가 작은 쪽으로 휘는 것입니다.
반대로 온도가 내려가면 열팽창계수가 큰 쪽으로 휘지요.



그림. 온도 조절의 원리
온도

 


따라서 온도가 내려가면 아래쪽으로 휘면서 전원 공급 장치와 연결되기 때문에 스위치가 켜지면서 열이 공급됩니다.
계속해서 온도가 올라가면 다시 위쪽으로 휘면서 전원이 차단되는 것입니다.
자! 그럼 바이메탈을 작동시켜 볼까요?

바이메탈의 원리를 설명하는 교구의 (+)와 (-) 단자에 건전지를 연결합니다.
그리고 바이메탈을 가열하면 바이메탈이 위로 휘면서 건전지에 연결되면서 빨간불이 켜져요.
반대로 온도가 낮아지면 바이메탈이 아래쪽으로 휘면서 녹색등이 켜진답니다.





그림. 바이메탈의 작동
바이메탈

 

2) 전기주전자
실제로 전기기구에 어떻게 사용되고 있을까요?
전기주전자의 물이 펄펄 끓다가 어느 순간에 “딸깍”하는 소리와 함께 스위치의 불이 꺼지지요?
그렇다면 전기주전자에는 바이메탈이 어디에 있을까요?
아하! 바이메탈은 열에 의해서 휘기 때문에 뜨거운 수증기가 닿아야 해요.
바로 손잡이에 있는 스위치 밑에 바이메탈이 있어요.
전기주전자를 분해해 볼까요?



그림. 전기 주전자를 분해하여 부품들을 일렬로 나열한 모습. 원 안은 스위치 부분
주전자


사진에서 스위치의 바로 밑에 있는 동그란 바이메탈이 보이나요?
스위치를 밀어서 켜면(①), 스위치 밑에 있는 바이메탈이 눌려서(②) 밑으로 밀려 나오지요?
그리고 물이 끓기 시작하면 뜨거운 수증기에 의해 바이메탈의 온도가 올라가면 바이메탈이 위로 휘면서(③) 스위치를 밀어 올려(④) 전원이 차단되는 것입니다.

아하! 전기주전자의 작동 원리가 이런 것이었군요.



그림. 전기 주전자에 있는 바이메탈의 작동
주전자


다음은 바이메탈의 옆면을 확대한 것입니다.
이 작고 간단한 금속이 전기주전자의 작동을 지휘하다니... 신기하지요?
두 금속의 경계가 보이나요?



그림. 전기 주전자의 바이메탈과 그 단면(500배)


3) 전기다리미
전기다리미에도 역시 바이메탈이 있습니다.
온도가 올라가면 ②번 위치의 접점에 붙어있던 바이메탈(①)이 휘면서 접촉이 끊어지면서 전원이 차단되지요.
또한 전기다리미는 온도를 조절할 수 있어요?
즉 온도 조절 레버를 높은 온도로 맞추면, 더 높은 온도에서 접점과 분리되도록 설계되어 있답니다.



그림. 전기다리미의 바이메탈과 작동 원리
다리미

4) 바이메탈 동전
혹시 바이메탈 동전을 본 적이 있나요?
이색 동전으로도 불리는 이것은 두 종류의 금속을 붙여서 만든 동전이에요.
바이메탈 동전을 만드는 재료인 소전의 50%는 우리나라에서 생산되어 수출되고 있답니다.
소전은 금액과 그림 등이 새겨져 있지 않은 동전입니다.
이처럼 바이메탈이란 두 종류의 금속이 접합되어 있다는 넓은 뜻으로 사용되고 있습니다.





그림. 2유로 바이메탈 동전
동전


2007년에 새로 발행된 우리나라의 10원 동전은 알루미늄 판의 위와 아래에 얇은 구리를 덧씌워서 만들었어요.
그렇다면 이것도 바이메탈 동전인가요?





그림. 2007년에 발행된 10원 동전과 옆면(50배)
동전

 

5) 다음 중 온도 조절용 바이메탈을 사용하지 않는 두 가지는 무엇일까요?
① 전기세탁기
② 전기보온밥솥
③ 전기장판
④ 형광등의 점등관
⑤ 전기다리미
⑥ 커피 자동판매기
⑦ 바이메탈 동전
⑧ 바이메탈 온도계



이것은 무엇일까요?
2007년에 지구상에서 신비한 것으로 여겨지는 일곱 개의 건축물이 새로운 7대 신(新) 불가사의로 선정되었습니다. 바로 브라질의 예수석상, 중국의 만리장성, 로마의 콜로세움, 요르단의 페트라, 페루의 마추픽추, 멕시코의 치첸이트사, 인도의 타지마할입니다.




건축물


그런데 이집트의 피라미드는 왜 없을까요?
피라미드는 기원전 2,500년 경에 평균 2.5톤의 거대한 돌 230만개를 쌓아올려 만든 건축물로서 그 방대함과 정교함은 많은 사람들의 경탄을 자아내지요. 따라서 이집트는 세계 최고(最古)의 건축물이자 인류의 가장 위대한 문화유산인 피라미드에 대해 다시 투표하는 것은 피라미드에 대한 모독이라며 투표에 참여하지 않았답니다.




결정

 

그렇다면 이것은 무엇(50배)일까요?
피라미드와 같은 모양의 이것은 여러분들이 과학 시간에 만들었던 결정입니다.
소금은 정육면체 모양, 설탕과 황산구리는 육각기둥, 그리고 이것은...



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