윔즈허스트(Wimshurst) 기전기 정전 고전압 발생 장치 란 무엇인가? (정의 & 원리)

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윔즈허스트 기전기
James Wimshurst(1832-1903)는 전기와 전기 발전 연구에 몰두한 영국 해군 엔지니어이자 발명가이다. 1880년대 이후 그에 의해 개발된 기전기들은 매우 높은 전압 상에서 직류의 가능성을 제시한 최초의 기전기들로 알려져 있다. 예로, 이러한 기전기들을 통해 최초의 엑스선 기계가 개발되었다.

윔즈허스트 기전기는 역학 에너지(이중반전형 분절원판)를 정적 에너지로 변환하여 저장하는 매우 효율적인 기구이다. 전압은 정전 유도에 의해 이루어지는 음전하와 양전하의 분리를 통해 유도된다. 음전하와 양전하는 라이든 병(네덜란드 도시 라이든을 따라 명명됨)에 저장되며, 구형 전극들 간 점화 또는 아크에 의해 소멸된다.

전기는 정적 전하 또는 이동 전하와 관련된 모든 현상을 나타내며, 따라서 “정적 전기” 분야와 “전류” 분야로 나뉜다. 이러한 현상 중 일부는 고대 시대부터 알려져 있다. 고대 그리스의 철학자 탈레스(Thales of Miletus)는 기원전 600년에 호박을 털 조각에 문지름으로써 미립자를 끌어들일 수 있다는 사실을 발견했다. 호박은 그리스어 단어로 elektron이며, 해당 단어로부터 본 과학 분야의 명칭이 비롯되었다.

정전기는 균등 전하 또는 반대 전하를 갖는 물질들이 서로에 갖는 효과를 설명하는 과학적 이론이다. 균등 전하들(2개의 양전하들 또는 2개의 음전하들)은 서로 기피하는 성질을 지니며, 반대 전하들(1개의 양전하와 1개의 음전하)은 서로 끌리는 성질을 지닌다. 전하들이 균등화될 경우(예: 전기 전도체 또는 점화를 통한 균등화), 전압이 제로에 도달하는 순간까지 전류가 흐르게 된다. 일상에서 우리는 빈번하게 수천 볼트에 달하는 매우 높은 전압을 접하게 되지만, 동시에 매우 미세한, 따라서 무해한 전류 또한 접하게 된다(어두운 공간에서 미세한 점화를 일으키는 합성섬유 재질 의류의 타닥거리는 소리, 차량에서 내릴 때 또는 문 손잡이를 잡을 때 가끔 경험하게 되는 가벼운 전기 충격)

커패시터 또는 콘덴서는 절연체에 의해 분리되는 2개의 전도성 표면으로 구성된다. 이러한 두 표면은 커패시터 전극이라 불리며, 이들 표면 간 전압을 유발하는 반대 전하들을 저장할 수 있다. 윔즈허스트 기전기의 분절원판 상에 존재하는 각 분절은 반대 원판의 분절과 마주하는 커패시터를 형성한다. 라이든 병 또한 커패시터로 작용한다; 라이든 병에는 매우 높은 전압이 저장 가능하다. 본래 라이든 병은 내부 표면과 외부 표면이 금속 코팅된 실제 유리로 제작되었다.  엑스코아에서 판매되는 기전기의 경우, 라이든 병은 롤 형식 PVC 필름과 알루미늄 호일로 제작되었다. 라이든 병의 부재 시 충분한 양의 전하 수집이 불가능하기 때문에 구형 전극들을 통한 점화 방전은 불가능하다.

정전 유도는 다음과 같은 효과를 지닌다: 분절들 중 하나에 특정 전하를 적용할 경우, 다른 원판의 각각의 분절 상에 반대 전하가 유도된다. 기계력에 의해 분절들이 분리될 경우(물론, 이는 원판이 회전할 때마다 발생함), 이러한 두 전하 모두 증가하게 된다.

무효화 막대들의 양 끝에는 수집 브러시가 장착되어 있으며, 각 분절이 동일한 원판의 반대 측면에 위치한 분절을 지날 때 이들을 연결하는 역할을 수행한다. 이는 막대의 한 끝에 위치한 분절이 막대의 다른 끝에 위치한 분절의 반대 전하를 받게 되는 효과를 갖는다. 그 뒤, 이중반전형 원판을 통해 전하들은 수집기와 접촉하는 분절이 다른 원판 상에서 균일하게 충전된 분절과 항상 마주하게 되는 수집기로 운반된다. 균일 전하들은 서로 기피하는 성질을 지니기 때문에, 이러한 전하들 중 일부는 전하 수집기에 의해 제거되어 라이든 병에 저장된다. 각 원판은 상단 좌측에서 하단 우측을 가리키는 고유의 무효화 막대를 지닌다. 막대는 조정 가능하다: 막대의 경사가 심할수록 전압은 증가하고 전류는 감소한다. 막대의 각을 낮게 설정하면 전압은 감소하고 예상 전류는 증가한다.

코로나 방전: 윔즈허스트 기전기가 생산 가능한 수준의 높은 전압은 작은 지점 또는 또는 모서리에서 주변 공기로 방전되는 경향을 지닌다. 이러한 “코로나 방전”은 어두운 공간에서 관찰 가능하다. 이는 라이든 병의 방전 시 구형 전극들을 사용하는 이유이기도 하다. 전극들이 지점을 지닌다고 가정할 경우, 영구적인 코로나 방전으로 인해 전기 불꽃의 발생을 기대하기란 어렵다. 높은 대기 습도는 이러한 효과를 촉진시킬 뿐만 아니라 본 기계의 기능에 심각한 영향을 초래할 수 있다.

 

 

 

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