전기의 성질 실험

전기는 우리의 생활과 아주 밀접한 관계를 맺고 있다. 이번 실험에서는 꼬마전구와 건전지를 이용하여 전류의 작용에 대해서 알아보고, 일상생활 속에서 건전지를 어떻게 이용하는 것이 가장 효과적인지 살펴 보자.

마찰 전기

물질을 이루는 원자는 (+)전기를 띤 원자핵과 (－)전기를 띤 전자로 되어 있다. 어떤 원자가 전자를 잃으면 (+)전기를, 반대로 전자를 얻으면 (－)전기를 띠게 된다. 보통 때는 전기적으로 중성인 물체도 서로 마찰시키면 한쪽 물질의 전자가 다른 물질로 이동하기 때문에 두 물질은 각각 (+) 또는 (－) 전기를 띠게 된다.

2개의 물체를 마찰시킬 때 어느 물체에 어떤 전기가 생기며 마찰 전기는 어떤 성질을 가지는지 관찰한다. 또 마찰 횟수와 마찰 전기의 세기는 어떤 관계가 있는지 실험을 통해서 본다.

준비물

유리 막대, 에보나이트 막대, 명주실, 명주 헝겊, 털가죽

실험관찰

① 에보나이트 막대를 털가죽으로 문질러 매달고, 역시 털가죽으로 문지른 다른 에보나이트 막대를 가까이 가져가 보자.② 명주 헝겊으로 문지른 유리 막대를 가까이 가져가 보자.③ 명주 헝겊으로 문지른 유리 막대에 역시 명주 헝겊으로 문지른 다른 유리 막대를 가까이 해 보자.

결과

① 에보나이트 막대끼리 또는 유리 막대끼리는 서로 밀어 내고, 에보나이트 막대와 유리 막대는 서로 잡아당긴다.② 에보나이트 막대에 생긴 전기와 유리 막대에 생긴 전기는 다르다.③ 문지르는 횟수가 많을수록 전기가 많이 생기므로 막대끼리의 인력 또는 척력이 커진다. 위의 실험에서 에보나이트에 생긴 전기는 (－), 유리 막대에 생긴 전기는 (+)이다.

전하의 이동

손전등의 스위치를 누르면 꼬마 전구에 불이 켜지는데 이것은 전선을 통하여 전하가 이동하기 때문에 나타나는 현상이다. 전하의 이동, 즉 전류는 어떻게 발생하여 작용하는지 알아본다.

준비물

유리 막대, 검전기 2개, 명주 헝겊, 무명실, 구리선, 건전지, 꼬마 전구, 스위치

실험관찰

① 두 검전기를 무명실로 연결하고 대전된 유리 막대를 한쪽 검전기의 금속에 대어 보자. 양쪽 검전기의 금속박은 어떻게 되는지 살펴보고, 또 구리선을 쓰면 어떤 반응이 나타나는지 알아보자.② 스위치를 눌러 꼬마 전구에 불을 켜 보고 전류의 방향을 알아보자.

결과

① 검전기 A의 금속박은 바로 벌어지지만 검전기 B의 금속박은 서서히 벌어진다. 왜냐하면 무명실은 전기가 잘 통하지 않으므로 아주 소량의 전하만 A에서 B로 이동하기 때문이다. 구리선을 쓰면 검전기 A와 B의 금속박은 거의 동시에 벌어지는데 이것은 구리선이 전기를 잘 통하여 많은 양의 전하가 A에서 B로 빠르게 이동하기 때문이다. 즉, 전류가 잘 흐르기 때문에 동시에 벌어진다.② (+)전하가 건전지의 (+)극에서 출발하여 도선과 꼬마 전구를 지나 (－)극으로 이동하는 것을 전류의 방향으로 정한다. 그런데 실제로는 (－)전하를 가진 전자가 건전지의 (－)극에서 (+)극 방향으로 이동한다.

건전지의 연결과 빛의 밝기

불빛의 밝기는 꼬마전구를 병렬로 연결했을 때보다 직렬로 연결하는 것이 더 밝고, 건전지의 수명은 직렬로 연결할 때보다 병렬로 연결할 때 더 길다. 꼬마전구나 건전지를 잇는 방법에 따라 불의 밝기가 어떻게 달라지는가를 살펴보자.

준비물

이 실험을 위해서는 건전지 3-4개, 소켓 달린 꼬마전구 3-4개, 도선과 필기도구 등이 필요하다.

실험관찰

① 꼬마전구 2개를 건전지 1개에 직렬로(한 줄로) 연결시켜 빛의 밝기를 살펴보고, 꼬마전구 1개와 건전지 1개를 연결했을 때와 비교해서 어느쪽이 더 밝은지 알아보자. 또 건전지 1개와 연결시킨 2개의 꼬마전구 가운데 1개를 빼면 어떤 결과가 나오는지 알아보자.② 꼬마전구 2개를 건전지 1개에 병렬로(두 줄로) 연결하면 빛의 밝기를 알아보고, 또한 꼬마전구 1개를 뺐을 때 나타나는 결과도 살펴보자.③ 건전지 2개를 직렬로 연결하여 꼬마전구 1개를 켜보고 건전지 1개에 연결했을 때의 빛의 밝기를 비교해 보자. ④ 건전지 2개를 병렬로 연결하여 ③ 의 실험결과와 비교하여 살펴보자.

결과

① 건전지 1개에 꼬마전구 1개를 연결했을 때보다 빛의 밝기가 약하다. 또 꼬마전구 1개를 빼면 다른 1개의 전구는 불이 들어오지 않는다. ② 병렬로 연결한 각 전구의 밝기는 1개일 때와 같다. 전류의 회로가 다르기 때문에 병렬로 연결시킨 꼬마전구 가운데 하나를 빼도 나머지 전구에는 불이 들어온다.③ 건전지 1개에 꼬마전구 1개를 연결했을 때보다 빛이 더 밝다.④ 건전지를 병렬로 연결했을 때는 전류를 밀어내는 힘이 1개일 때와 같기 때문에 건전지 1개에 꼬마전구 1개를 연결했을 때와 밝기가 같다.

심화학습

전기가 흐를 수 있도록 만들어 놓은 것을 전기 회로라고 한다. 기본 원리는 (+)극에서 나온 전류가 (-)극으로 흐로도록 한 것이다. 즉 (+)극에서 나온 전류가 스위치를 지나 (-)극으로 들어가는 것이 하나의 회로이다. 전류는 (+)전기가 움직이는 방향이지만 도선에서 실제로 움직이는 것은 (-)전기를 가지고 있는 전자이다. 이 전자는 (-)극에서 (+)극 쪽으로 도선을 따라 움직인다. 따라서 전류의 방향은 전자 이동 방향의 반대 방향이다.

연결 방법에 따른 건전지 수명

건전지나 꼬마전구의 연결 방법에 따라 꼬마 전구의 밝기가 달라진다. 밝게 켜질 때는 전류가 그만큼 많이 흘러가는 셈이다. 그러면 어떻게 연결해야 건전지를 오래 쓸 수 있는지 꼬마전구를 이용한 실험을 통해서 알아본다.

준비물

꼬마전구 2개, 건전지 2개, 소켓 2개, 건전지 홀더, 전류계, 도선, 시계

실험관찰

① 건전지 한 개에 꼬마 전구 한 개를 연결했을 때와, 건전지 2개를 직렬 연결하고 꼬마전구 한 개를 연결했을 때, 그리고 건전지 2개를 병렬 연결하고 꼬마전구 한 개를 연결했을 때의 건전지 수명을 각각 조사해 보자.② 꼬마전구 2개를 직렬 연결한 다음, 건전지 한 개 연결, 건전지 2개를 직렬 연결, 건전지 2개를 병렬 연결했을 때 각 건전지의 수명을 알아보자.

결과

① 건전지 2개를 직렬 연결하면 건전지 한 개일 때보다 꼬마전구는 훨씬 더 밝지만, 건전지의 수명은 짧다. 건전지 2개를 병렬 연결하면 건전지 한 개일 때보다 2배 가량 수명이 길다.② 건전지 2개를 직렬 연결하면 한 개일 때보다 더 밝지만 수명은 짧고, 건전지 2개를 병렬 연결하면 한 개일 때와 밝기는 같지만 수명은 2배로 길어진다. 직렬 연결일 때는 전류를 보내는 힘이 2배가 되어 그만큼 전류가 많이 흐른다.

전류의 세기 측정실험

전구나 건전지의 연결 방법에 따라 전류의 세기가 달라지며, 전구의 밝기가 같은 회로에서는 전류의 세기는 같다. 전류가 셀수록 전구도 밝게 켜진다. 꼬마전구나 건전지를 직렬이나 병렬로 연결함에 따라 전구의 불빛의 밝기가 달라지는 것을 앞의 실험에서 확인했다. 이는 전구에 흐르는 전류의 세기가 다르기 때문인데 이번 실험에서는 그것을 직접 확인해 보도록 하자.

준비물

이 실험에는 전류계, 나침반, 도선, 건전지 홀더, 꼬마전구 2개, 소켓 2개, 건전지 2개 등이 필요하다.

실험관찰

전류가 지나는 회로 위에 나침반을 놓고, 건전지 1개에 꼬마전구 1개를 연결했을 때와 건전지 2개를 직렬로 연결했을 때의 바늘의 움직임과 전구의 밝기를 비교해 살펴보자.② 꼬마전구나 건전지를 직렬이나 병렬로 연결한 다음 회로 사이에 전류계를 연결하여 흐르는 전류의 세기를 측정해 보고, 각 꼬마전구의 밝기와 전류의 세기를 비교해 보자.

결과

① 건전지 1개보다 2개를 직렬 연결했을 때 꼬마전구는 더 밝고, 나침반의 바늘도 크게 움직인다. 이것은 그만큼 전류의 세기가 크기 때문이다.② 전류의 세기는 건전지 1개에 꼬마전구 1개를 연결했을 때, 건전지 2개와 꼬마전구 2개를 직렬 연결했을 때, 병렬 연결한 건전지 2개와 꼬마전구 1개를 연결했을 때 전류의 세기와 빛의 밝기가 같았다. 또 건전지 2개와 꼬마전구 1개를 직렬 연결했을 때 다른 경우보다 전류도 세고 빛의 밝기도 더 밝았다.