CD 로 만든 VOSS Machine (정전기 발생기)

정전기를 발생시키는 방법은 크게 2가지가 있다. 

첫 번째 방법은 많이 알려진 방법인 마찰을 이용하는 것이다. 마찰을 이용하는 방법은 공기가 습하거나 마찰되는 물체가 도전성 물체인 경우 정전기가 잘 생기지 않는 단점이 있다.

두 번째 방법은 정전기유도를 이용하는 것이다. 정전기유도는 접지(대지와 전기적으로 접속)되지 않은 도체인 경우 자연적으로 약간의 전하를 띠는 현상을 이용하는 방법이다. 이 방법을 이용하면 습한 날씨일지라도 절연만 잘 유지되면 정전기를 발생시킬 수 있다.

대표적인 정전기 유도장치로는 윔스허스트 기전기(Wimshurst machine) 나 켈빈의 정전기 발생장치(Kelvin water dropper) 등이 있다.

여기서는 정전기유도를 이용한 정전기 발생장치인 voss machine 을 만들어 보았다.

이 장치의 원리는 위의 그림과 같다. voss machine 은 wimshurst machine 과 다르게 하나의 원판만 회전한다. 고정된 원판에는 큰 전극이 자리잡고 있다.

이 전극들은 대지와 절연되어 있어서 약간의 전하를 띠게 된다. 두 개의 전극은 서로 절연이 되어 있으므로 대전된 상태가 똑같지는 않을 것이다. 둘 중 하나는 약간의 (+), 나머지는 약간의 (-) 를 띠고 있다고 하면, 회전하는 원판에 붙어있는 금속편이 뉴트럴 바에 닿게 되는 경우 정전기유도 현상으로 인해 연결된 금속편에는 고정된 전극과 반대 전하가 유도된다.

회전을 계속하여 뉴트럴바에서 떨어지게 되어도 해당 전하를 그대로 가지고 있게 되는데, 이 금속편은 고정된 전극과 C 라는 정전용량(커패시턴스)을 가지게 되고, 전극과 멀어짐에 따라서 이 C는 점점 줄어들게 된다.

하지만 회전을 해도 Q(전하량)은 그대로 이므로 V=Q/C 식에 의하여 전압이 높아진 상태로 나머지 전극에 접근하게 되고, 해당 전극에 연결된 브러시로 전하가 고정된 전극으로 이동하게 된다. 좀 더 회전하여 뉴트럴 바에 닿게 되면 정전기 유도로 인하여 반대 극성으로 대전되어 회전하게 되고, 같은 현상이 반복된다.

위의 원리도를 참고하여 그대로 만들어 보았다. 원판은 CD로 하였는데, CD의 데이터 부분을 날려보내거나, CD를 구매했을 때 양쪽에 끼워져 있는 투명한 CD를 이용해도 된다.

모터 부분은 컴퓨터용 쿨링팬을 잘라서 이용하였다.

금속편은 알루미늄 테이프를 잘라서 붙였는데 모두 16개 이다.

위의 사진은 브러시 부분을 찍은 사진이다. 브러시 부분은 금속편에 접촉하면서 마찰저항을 줄여야 하기 때문에 가느다란 전선의 피복을 벗긴 다음 심선 한 가닥만 남기고 반대편으로 접어서 굵은 철사로 감았다. 이렇게 하니 마찰저항이 거의 생기지 않았다.

사진의 위쪽의 브러시는 뉴트럴 바 이고, 아래쪽 브러시는 고정된 전극에 연결된 브러시이다.

위의 사진은 뒷면의 모습이다. 페트병을 잘라서 안쪽과 바깥쪽에 은박테이프를 붙이는 방법으로 콘덴서를 구성하였다. 콘덴서를 연결하지 않으면 전하가 매우 적게 저장되어 방전주기는 짧지만 방전되는 불꽃을 관측하기가 어렵게 된다. 갭의 크기가 약 3mm 인데, 대략 6000~7000V 의 전압이 나온다고 추정할 수 있다.

http://youtu.be/LJhKsQQ0NYc

동영상은 만들어 본 Voss machine  을 동작시키는 동영상이다. 12V 의 전원을 가했더니 정전기가 발생하는것을 볼 수 있다.

793번 글 ( http://thomson.tistory.com/793 ) 에 있는 형태의 프랭클린 벨을 구성했더니 가운데 깡통이 왔다갔다 하는 것을 볼 수 있다.

정전기유도를 이용한 정전기 발생장치를 만들 때 이용할 수 있는 아이템이다.