과학

전기에너지의 본질은 무엇일까?

전지와 전구를 준비하고 이들을 도선으로 연결하면 전구에 불이 켜져요. 진지로 전구의 불을 키는 것은 전지에 저장된 화학적 에너지가 전구라는 장치를 통해 빛 에너지와 열에너지로 변환되는 것으로 생각할 수 있어요. 그리고 많은 사람들은 전류를 흐르게 하는 전자가 이 에너지를 전달한다고 생각합니다. 과연 이 설명이 맞을까요? 일반적으로 우리는 전기회로에서 "전기"라는 것을 전달하는건 전자라고 생각하죠. 이는 전압, 전류, 저항과 같은 존재로 전기회로를 설명하기 때문이에요. 하지만 이는 어디까지나 추상화된 개념일 뿐 근본적인 해석은 아니에요. 사실 전기회로를 해석하는데 있어서 전자보다 훨씬 중요한 것은 장(Field)입니다. 전기에너지는 전자를 통해 전달될까요? 전구나 LED, 전열기등이 어떻게 전기에너지를 다..

면역계(Immune System)

면역 면역이란 신체에 침입하여 손상을 입힐 수 있는 요소에 대응하여 이들을 제거하고 대응하는 능력이에요. 발달된 면역계를 가진 개체는 자신을 해칠 수 있는 물질의 침입과 공격을 방어하여 그렇지 않은 개체들에 비해 생존에 유리하게 되었고, 이는 생명이 면역계를 진화시키게 하였죠. 면역계에서 항원(antigen, Ag)은 면역반응을 발생시키는 물질이에요. 이들은 대부분 생명에 독성을 가지고 있으며 세균, 바이러스, 화학물질, 암세포가 포함되지만 독성이 없는 물질이나 심지어는 신체의 일부도 항원으로 인식되기도 하지요. 예를 들어 알레르기는 식품, 먼지, 꽃가루 등 독성이 없거나 미미한 물질에 대하여 신체가 격렬한 면역반응을 일으켜 발생되는 질환이에요. 알레르기를 일으킬 수 있는 화학물질은 매우 매우 다양하지요..

상대적이고 절대적인 것 [상대성 이론]

상대성 이론 상대성 이론은 역사상 가장 위대한 물리학자로 알려진 Albert Einstein이 쓴 논문에서 처음 알려져 시간과 공간에 대한 기존의 인식을 완전히 바꾼, 그야말로 가장 혁신적인 이론이에요. Einstein은 기존의 절대적인 시간의 개념을 부정하고 사고 실험을 통해 시간과 공간이 관측자에 대해 어떻게 상대적으로 변하는지 설명하였죠. 이번 글에서는 상대성 이론, 그중에서도 특수 상대성 이론의 가장 기본적인 아이디어와 그로부터 유도되는 시간 지연, 길이 수축에 대해 알아봐요. 물리법칙이 성립하는 곳 지표면에 관측자 예지가 서있다고 해볼게요. 예지가 공을 지면에 수직 하게 던져 올리면 공은 일정한 힘을 받아 Issac Newton의 이론에 따라 등가속도 운동 법칙에 의해 위로 올라갔다가 아래로 떨..

연속방정식과 베르누이 방정식

흐르는 물체의 운동을 분석하기 액체나 기체와 같이 흐르는 물체인 유체의 운동을 분석하는 것은 난해해요. 유체는 밀도, 점성, 압축 등에 의해 운동이 매우 복잡해질 수 있고 그것을 일일이 모두 고려해서 운동을 분석하기는 힘들죠. 예를 들어 물과 꿀은 둘 다 액체이지만 점도가 다르기 때문에 다른 성질을 지니게 돼요. 일반적인 유체의 운동을 표현한 식으로 나비에-스토스크 방정식이 있는데 이 방정식은 정확한 풀이법도 알려져 있지 않을 정도로 난해합니다. 이번 글에서는 그러한 복잡한 유체 대신 "이상 유체"라는 특수한 유체를 다룰 것이에요. 이상적인 유체. "이상 유체" 이상유체는 분석을 쉽게 하기 위해 다음 사실을 가정해요 유체는 비압축성이다(압축되지 않는다). 기체의 경우 압력을 가하면 부피가 줄어들어요. 이..

전기 - 유도자(인덕터)

전류가 흐르는 도선 주위에는 자기장이 생긴다. 우리가 일반적으로 전기회로를 분석할 때는 도선에 흐르는 전류가 만드는 자기장을 고려하지 않지만, 그리고 직류의 경우 분석할 필요도 없지만 교류회로의 경우 이 현상이 재미있는 현상을 만든다. 우리는 기본적으로 회로의 스위치를 내리는 순간 모든 지점에 전위차가 걸리고, 일시에 전류가 흐르기 시작한다고 가정하지만, 실제로는 그렇지 않다. 스위치를 내리면 도선의 전류가 증가하고→도선 근처에 점점 세지는 자기장이 유도되고→유도 기전력은 자기장의 증가를 막는 방향으로 유도되고→전류의 증가를 막는다. 이 현상은 전류가 흐르는 모든 도선에서 발생하지만, 일반적으로는 그 정도가 크지 않아 무시한다. 대신 이 효과가 최대로 발생하도록 설계한 전자부품이 있다. 인덕터(유도자, ..

전기 - 축전기(커패시터)

커패시터(Capacitors)는 두 극판을 가까이 두고 전기장을 형성하여 전하를 저장하는 부품이다. 실제로 보면 이렇게 생겼다. 커패시터는 일정한 거리를 둔 두 평행한 금속판으로 되어있다. 두 금속판에 전압을 걸어주면 전위차에 의해 전하들이 한 방향으로 쏠려서 이동하고, 각 금속판은 대전된다. 그러다 전지의 전위차와 커패시터의 전위차가 같아지면 전하의 이동은 중단되고 두 금속판은 +Q, -Q로 대전된다. 이러한 성절은 전기에너지를 모았다가 한 번에 방출하는, 예를 들어 점화플러그나 카메라 플래시에 사용된다. 커패시터의 성능은 전기용량으로 설명된다. 전기용량 $C$는 다음과 같이 정의된다. $C=\frac{Q}{\Delta V}$, 단위: F(패럿) 또는 C/V(쿨롱/볼트) $Q$는 커패시터에 저장된 전하..

인공투석기용 펌프 - 전자기 펌프

인공투석기에 대해 옛날에 배운 사람이라면 투석할 혈액을 뽑을 혈관이 반드시 동맥이어야 한다고 배웠을 것이다. 이는 혈액을 뽑기 위해 동맥의 압력을 이용하기 위함이다. 하지만 요즘은 정맥에서 뽑는 것을 추천하는데, 더이상 동맥의 압력 없이도 능동적으로 혈액을 운반할 펌프가 생겼기 때문이다. 하지만 기계식 펌프는 인공투석기가 나오기 한참 전에 만들어졌는데, 왜 인공투석기에는 사용되지 못한 것일까? 기계식 펌프 펌프의 역할은 유체에 압력을 걸어 일정한 방향으로 흐를 수 있는 힘과 에너지를 주는 것이다. 압력을 만드는 방법에 따라 펌프의 종류가 나뉜다. 그중 기계식 펌프는 압력을 만들기 위해 물리적인 방법을 사용하는 종류이다. 기계식 펌프도 작동 방식에 따라 종류가 나뉘지만, 이들은 크게 프로펠러나 그와 비슷한..

과학이란 무엇일까?

우리는 어릴 때부터 과학을 흔히 접한다. 가장 많은 케이스가 학교 교육과정 때문에 강제로 공부하는 경우일 것이다. 이런 경우 여타 다른 과목과 같게 과학을 왜 배우는지, 과학이 무엇인지 모르는 경우가 많다. 이번 글에서는 과학이란 무엇인지, 그리고 어떤 의미를 가지는지 생각해보고자 한다. 과거에는 일식을 매우 두려워했다. 그도 그럴것이 신의 은총이라 생각되는 태양이 이유 모르게 가려지는 것은 신의 심판이나 다름없었기 때문이다. 지금 생각해보면 무식하기 그지없지만, 당시에는 일식이 무서웠다. 아마 일식이 왜 생기는 것인지 모르기 때문일 것이다. 또한 인류는 아주 오래전부터 신들의 영역으로 치부되는 하늘에 대한 막연한 동경심이 있었다. 그리고 그들은 마치 새들처럼 하늘을 날고자 했다. 그리고 오늘날 인류는 ..