라이덴병
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1. 개요
라이덴병은 유리병 안팎에 금속박을 붙여 전기를 저장하는 장치로, 1745년 무렵 독립적으로 발견되었다. 라이덴병은 정전기 발생기로 충전되며, 금속 막대와 접지된 도체 사이의 방전을 통해 큰 전기 충격을 발생시킨다. 벤자민 프랭클린은 라이덴병을 직렬로 연결하여 전기 용량을 늘리는 실험을 했으며, 이 장치는 전기 치료, 스파크 간극 송신기 등 다양한 분야에 응용되었다. 조선 후기 실학자들은 라이덴병을 통해 서양 과학 기술을 접했으며, 정약용은 라이덴병의 원리를 연구하여 자명종과 같은 기구를 고안하기도 했다.
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| 라이덴병 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 명칭 | 라이덴병 |
| 로마자 표기 | Raiden Byeong |
| 영어 명칭 | Leyden jar |
| 일본어 명칭 | ライデン瓶 (Raiden Bin) |
| 유형 | 축전기 |
| 용도 | 고전적인 고전압 전기 에너지 저장 장치 |
| 역사 | |
| 발명 | 1745년 |
| 발명자 | 에발트 위르겐 폰 클라이스트 피터르 판 무셴브루크 |
| 발명 장소 | 카민 라이덴 대학교 |
| 참고 | 라이덴병은 최초의 축전기로 여겨짐. |
| 구조 및 작동 원리 | |
| 기본 구조 | 유리병 안팎에 금속박을 씌운 형태 |
| 작동 원리 | 병 내부의 금속박과 외부 금속박 사이에 전하를 축적 유전체인 유리병이 전하 분리를 유지 |
| 전하 축적 | 고전압의 전기를 축적할 수 있음 |
| 활용 | |
| 초기 전기 실험 | 전기의 본질을 연구하는 데 사용됨 |
| 고전압 발생 | 고전압을 발생시켜 다양한 실험에 활용됨 |
| 전하 저장 | 전하를 저장하여 필요할 때 방전하는 데 사용됨 |
| 추가 정보 | |
| 관련 용어 | 정전기 유전체 축전 |
2. 역사
고대 그리스에서는 이미 호박을 천으로 마찰하면 정전기가 만들어진다는 것을 알고 있었다. 이렇게 만들어지는 전기를 마찰전기라고 한다. 호박은 그리스어로 엘렉트론(ἤλεκτρον)이었기 때문에 이 말이 그대로 전기를 뜻하는 말로 쓰이게 되었다.[52]
1650년 무렵 오토 폰 게리케는 황으로 만든 구에 축을 연결한 단순한 정전 기전기를 제작하였다. 게리케는 구에 손을 댄 채 축을 빠르게 돌리면 전하가 발생한다는 것을 발견하였다.
1745년 무렵 라이덴병은 독일의 에발트 게오르크 폰 클라이스트와 네덜란드 라이덴의 과학자 피에터 반 뮈스헨브룩과 그의 조수 안드레아스 퀴네우스, 두 곳에서 독자적으로 발견되었다.[53] 라이덴병은 매우 높은 전압의 전위차를 만들어 낼 수 있다. 병 안쪽에 축적되는 전압은 3만 5천 볼트까지 오를 수 있으며 병 안에서 위쪽으로 연결된 금속 막대가 접지된 도체와 닿는 순간 방전된다. 사람의 몸도 그러한 도체가 될 수 있으며 큰 전기 충격을 받을 수 있다. 네덜란드의 라이덴 대학교(Universiteit Leidennl)에서 발명되었기 때문에 "라이덴 병"이라는 이름이 붙었다.[41]
2. 1. 초기 역사
고대 그리스에서는 이미 호박을 천으로 마찰하면 정전기가 만들어진다는 것을 알고 있었다. 이렇게 만들어지는 전기를 마찰전기라고 한다. 호박은 그리스어로 엘렉트론(ἤλεκτρον)이었기 때문에 이 말이 그대로 전기를 뜻하는 말로 쓰이게 되었다.[5] ἤλεκτρον|엘렉트론grc은 "전기"라는 단어의 어원이 되었다.[52]1650년 무렵 오토 폰 게리케는 황으로 만든 구에 축을 연결한 단순한 정전 기전기를 제작하였다. 게리케는 구에 손을 댄 채 축을 빠르게 돌리면 전하가 발생한다는 것을 발견하였다.
게오르크 마티아스 보제(1710년 9월 22일 – 1761년 9월 17일)는 정전기 발전 초기의 유명한 전기 실험가였다. 그는 절연된 도체를 사용하여 정전기를 일시적으로 저장하는 방법을 최초로 개발한 사람으로 여겨진다.
2. 2. 라이덴병의 발견
1745년 무렵 라이덴병은 독일의 부제 에발트 게오르크 폰 클라이스트와 네덜란드 라이덴의 과학자 피에터 반 뮈스헨브룩과 그의 조수 안드레아스 퀴네우스, 두 곳에서 독자적으로 발견되었다.[53]에발트 게오르크 폰 클라이스트는 독일 포메라니아의 카민 대성당 대학장으로, 1745년 10월 코르크에 못을 박은 작은 약병에 알코올을 채워 전기를 축적하려고 시도했다. 폰 클라이스트는 유리가 "유체"의 탈출을 막는 장벽이 될 것이라고 확신하여 상당한 전하를 모아 안에 보관할 수 있다고 생각했다. 그는 다른 손으로 병을 든 채 코르크를 통해 실수로 못을 만졌을 때 장치에서 상당한 충격을 받았다. 1745년 11월부터 1746년 3월까지 여러 편지에서 적어도 5명의 다른 전기 실험가에게 그의 결과를 알렸지만,[10] 1746년 4월까지 그의 결과를 재현했다는 확인을 받지 못했다.[11]
피에터 반 뮈스헨브룩은 에발트 게오르크 폰 클라이스트처럼 게오르크 마티아스 보제의 실험에 관심을 가지고 반복하려고 시도했다.[13] 당시 변호사인 안드레아스 쿠나에우스는 무센브루크로부터 이 실험에 대해 알게 되었고, 집에서 가정 용품으로 실험을 재현하려고 시도했다.[14] 샤를 프랑수아 드 시스테르네 뒤페이의 법칙을 알지 못한 쿠나에우스는 충전하는 동안 항아리를 손에 들고 있었고, 그렇게 하여 그러한 실험 설정이 심각한 감전을 일으킬 수 있다는 것을 최초로 발견했다.[14][15] 그는 자신의 절차와 경험을 장 니콜라 세바스티앙 알라마(무센브루크의 동료)에게 보고했다. 알라마와 무센브루크 또한 심한 감전을 경험했다. 무센브루크는 1746년 1월 20일 프랑스 곤충학자 르네 앙투안 페르쇼 드 레오뮈르에게 보낸 편지에서 이 실험을 전달했는데, 레오뮈르는 파리 과학 아카데미에서 무센브루크가 임명한 통신원이었다. 장 앙투안 놀레 신부는 이 보고서를 읽고 실험을 확인한 다음, 1746년 4월 파리 아카데미의 공개 회의에서 무센브루크의 편지를 낭독했다.[14]
장 앙투안 놀레는 무센브루크 회사의 장치 판매를 위한 프랑스 내 판매처였으며, 1735년에 복제 장치를 만들고 판매하기 시작했다.[17] 놀레는 전기 저장 장치에 "라이덴 병"이라는 이름을 붙이고 과학적 호기심을 가진 부유한 남성들에게 특수한 유리병으로 홍보했다.
2. 3. 추가 발전
뮈스헨브루크가 라이덴병을 안정적으로 만드는 방법을 발표한 후, 여러 전기 연구자들이 독자적인 라이덴병을 만들어 실험하기 시작했다.[19]
요한 하인리히 빈클러는 1746년 7월 28일 세 개의 라이덴병을 연결하여 일종의 정전기 배터리를 만들었다.[21] 같은 해, 압베 놀레는 프랑스의 루이 15세를 위해 180명의 프랑스 왕실 근위병과 카르투시오 수도사들을 이용해 라이덴병 방전 실험을 진행했다. 실험에 참여한 사람들은 거의 동시에 공중으로 뛰어올랐다.[22]
다니엘 그랄라트는 1747년에 라이덴병을 직렬로 연결하는 실험을 진행했다.[21]
1747년에서 1748년 사이 벤자민 프랭클린은 라이덴병을 직렬로 연결하여 전기용량을 늘리는 실험을 하였다.[61] 그는 양면에 얇은 납판을 붙인 11개의 유리판을 연결하는 시스템을 개발하고, 1748년 자신의 정전기 배터리를 설명하기 위해 "전기 배터리"라는 용어를 사용했다.[24][25] 이는 "전기 배터리"라는 용어가 처음으로 기록된 사용이다.[21]
프란츠 아이피누스는 1756년부터 요한 빌케와의 연구를 통해 유리 대신 공기를 유전체로 사용하는 "공기 축전기"를 개발했다. 이 장치는 전하가 유리에 위치한다고 주장한 벤자민 프랭클린의 라이덴병 설명에 문제를 제기했다.[29]
3. 구조 및 제작
전형적인 라이덴병은 유리병 안팎에 금속판(주로 주석박)을 두른 것이다. 병 윗부분에 뚜껑을 달고 금속 막대를 안쪽으로 통과시켜 유리병 안의 금속판과 닿게 한다. 정전 기전기를 이용하여 금속 막대를 통해 전하를 충전한다. 안쪽 금속판은 접지되어 있지 않기 때문에 전하가 방전되지 않고 축적된다.[54]
최초의 라이덴병은 병 안에 물을 채웠으나, 얼마 지나지 않아 병 안쪽에 금속판을 두르는 것이 더 효율적이라는 사실이 밝혀졌다. 뚜껑과 연결된 금속 막대가 접지되면 코로나 방전을 일으키게 된다.
일반적인 디자인은 유리병의 내부와 외부 표면에 전도성이 있는 주석박 코팅을 한다. 주석박 코팅은 병 입구까지 닿지 않아 전하가 주석박 사이에서 아크 방전되는 것을 방지한다. 금속 막대 전극이 병 입구의 비전도성 마개를 통해 돌출되어 있으며, 보통 매달린 사슬을 통해 내부 주석박에 전기적으로 연결되어 충전될 수 있도록 한다. 이 병은 정전기 발생기 또는 다른 전하원에 연결된 내부 전극을 통해 충전되는데, 외부 주석박은 접지된다. 병의 안쪽과 바깥쪽 표면은 크기가 같지만 반대 부호의 전하를 저장한다.[30]
이 장치의 원형은 물을 부분적으로 채운 유리병으로, 코르크 마개를 통과하는 금속선이 있었다. 외부 도체판의 역할은 실험자의 손으로 제공되었다. 1747년, 존 베비스는 병의 외부를 금속박으로 코팅하는 것이 가능하다는 것을 알아냈고, 양면에 금속박을 붙인 유리판으로도 같은 효과를 얻을 수 있다는 것을 알아냈다.[31] 같은 해, 윌리엄 왓슨은 이러한 발전을 바탕으로 물을 사용하지 않고 내부와 외부에 금속박 안감이 있는 병을 만들었다.[31][32]
초기 실험자들은 유전체가 얇을수록, 표면적이 클수록 축적할 수 있는 전하량이 클 것이라고 보고했다.[33]
이후 정전기에 대한 연구가 더 진행되면서 유전체 재료가 필수적이지 않지만, 저장 용량(정전용량)을 증가시키고 판 사이의 아크 방전을 방지한다는 사실이 밝혀졌다. 작은 거리만큼 분리된 두 개의 판도 진공 상태에서 축전기 역할을 한다.
라이덴병은 유리병 안팎을 금속(납 등)으로 코팅한 것으로, 내부 코팅은 금속 사슬을 통해 끝부분이 금속 구체인 막대에 연결된다.[41] 전극과 판은 두 개의 전기 전도체가 되며, 유전체(예: 유리)에 의해 분리된다. 여기에 전압을 걸면 전하가 축적된다. 원리는 축전기와 같다.
처음에는 유리병 안에 전기가 축적된다고 생각되었지만, 실제로는 절연된 두 개의 도체 표면에 축적되며, 그 사이의 공간에 전기 에너지가 저장되는 것이다.
4. 작동 원리
전형적인 라이덴병은 유리병 안팎에 금속판을 두른 것이다. 병 위쪽에 뚜껑을 달고 금속 막대가 안쪽으로 통과하여 유리병 안의 금속판과 닿게 한다. 정전기 기전기를 이용하여 금속 막대를 통해 전하를 충전한다. 안쪽 금속판은 접지되어 있지 않기 때문에 전하가 축적된다.[54]
최초의 라이덴병은 병 안에 물을 채웠지만, 얼마 지나지 않아 병 안쪽에 금속판을 두르는 것이 더 효율적이라는 것을 알게 되었다. 뚜껑과 연결된 금속막대가 접지되면 코로나 방전을 일으킨다.
라이덴병이 처음 만들어졌을 때에는 전하의 축적이 물속에서 이루어진다고 여겨졌다. 그러나 1700년대 미국의 벤자민 프랭클린은 실험을 통해 전하가 유리병 자체에 축적된다는 것을 발견하였다. 프랭클린은 충전된 라이덴병을 분해한 후 전하가 유리에 축적되어 있음을 보이는 공개 실험을 진행하였다. 유리가 축전기의 유전체 역할을 한다는 것을 발견한 것이다. 프랭클린은 1749년 이와 관련한 최초의 논문을 발표하였다.[55]
프랭클린의 실험은 축전기가 유전체에 전기 에너지를 축적한다는 것을 보여준다.[56]
벤저민 프랭클린은 "분해 가능한" 라이덴 병을 고안했는데, 이 병은 두 개의 금속 컵 사이에 끼워진 유리 컵으로 구성된다. 병에 고전압을 가하고 조심스럽게 분해하면 모든 부품을 방전시키지 않고 자유롭게 다룰 수 있다. 부품을 다시 조립하면 여전히 큰 스파크를 얻을 수 있다. 이 실험은 축전기가 전하를 유전체 내부에 저장한다는 것을 시사하는 것처럼 보였다. 그러나 이 현상은 라이덴 병의 고전압으로 인한 특수 효과이다. 분해 가능한 라이덴 병에서 전하는 병이 분해될 때 코로나 방전에 의해 유리 컵 표면으로 전달된다. 분해된 상태에서 컵을 만지는 것만으로는 모든 표면 전하를 제거하기에 충분하지 않다. 소다 유리는 흡습성이 있어 표면에 부분적으로 전도성 코팅을 형성하여 전하를 유지한다.[35]
유리병 안팎을 금속(납 등)으로 코팅하고, 내부 코팅은 금속 사슬을 통해 끝부분이 금속 구체인 막대에 연결된다.[41] 전극과 판으로 구성된 두 개의 전기 전도체가 유전체(절연체, 예: 유리)에 의해 분리되고, 거기에 전압을 걸면 전하가 축적된다. 원리는 축전기와 같다. 처음에는 유리병 안에 전기가 축적된다고 생각되었지만, 실제로는 절연된 두 도체 표면에 축적되며, 그 사이의 공간에 전기 에너지가 저장되는 것이다.
라이덴병은 한 번에 수천 볼트의 전압을 발생시킬 수 있지만, 전류가 작기 때문에 강하게 느끼지는 않는다.
작동 원리는 다음과 같다.
# 내측과 외측에 금속박(주석박)([43])을 붙인 유리병에 사슬이 달린 황동 금속구를 꽂아 내측 금속박과 접촉시킨다.
# 꽂은 금속구 끝에 마찰전기 발생기로 대전시킨 도체를 접촉시킨다.[44]
# 유리를 사이에 둔 금속박끼리 대전된다.
# 금속구 끝에서 축적된 정전기를 한꺼번에 방전시킨다.[41]
4. 1. 잔류 전하
라이덴병은 한 번 방전된 후에도 잠시 후 다시 전하가 축적되어 방전될 수 있다.[57] 이러한 잔류 전하 방전은 서너 차례 일어나기도 하는데, 유전체인 유리가 전하를 축적하면서 극성을 띠기 때문이다.[58] 전자 부품에서 사용되는 축전기들 역시 극성이 형성되어 방전 뒤 잔류 전하를 가질 수 있다.[59] 전자 제품에 사용된 축전기의 잔류 전하는 고장이나 안전 사고의 원인이 될 수 있으므로 방전 저항이나 방전 코일을 이용하여 제거한다.[60]충전된 라이덴병을 안쪽과 바깥쪽 코팅을 단락시켜 방전시키고 몇 분 동안 방치하면, 병은 이전 전하의 일부를 회복하고 두 번째 스파크를 얻을 수 있다.[38] 종종 이것을 반복할 수 있으며, 길이가 감소하는 4개 또는 5개의 스파크 시리즈를 간격을 두고 얻을 수 있다. 이 효과는 유전체 흡수에 의해 발생한다.[39]
5. 정전 용량
원래 정전 용량은 특정 크기의 '병'의 개수로 측정하거나, 유리의 두께와 구성이 표준이라고 가정하고 코팅된 총 면적으로 측정했다. 일반적인 1파인트 크기의 라이덴 병은 약 1nF의 정전 용량을 갖는다.[40]
플라스크에 주석박과 황동 깎은 것을 넣은 라이덴병의 정전용량은 250pF,[48] 플라스틱 컵 2개에 알루미늄박을 감아 만든 라이덴병의 정전 용량은 100pF 이하이며, 대전 전압은 약 10kV 정도로 추정된다.[49] 이는 현재 전자 회로에 사용되는 콘덴서와 비교하면 크지 않지만, 높은 전압을 가해 다량의 전하를 축적할 수 있으며, 사용 방법에 따라 감전을 일으킬 정도의 위력을 가지고 있다.
6. 응용
18세기 후반부터 라이덴병은 전기 충격을 이용하여 다양한 질병을 치료하는 전기 치료 의료 분야에서 사용되었다. 19세기 중반에는 널리 보급되어 당시 저술가들은 독자들이 라이덴병의 기본 원리를 숙지하고 있다고 전제할 정도였다. 20세기 초에는 스파크 간극 송신기와 의료용 전기 치료 장비에 널리 사용되었다.
평가겐나이가 복원한 라이덴병에는 마찰로 발생한 정전기를 저장하는 장치로 철가루를 채운 라이덴병이 사용되었다.[45] 마르틴 판 마름은 수 미터 크기의 마찰 발전기와 25개의 라이덴병을 연결한 거대한 발전기를 제작했다.[46]
7. 한국으로의 전래 및 영향
조선 후기 실학자들은 청나라를 통해 라이덴병을 비롯한 서양 과학 기술을 접했다. 이규경의 『오주연문장전산고』에는 라이덴병에 대한 기록이 남아있다. 정약용은 라이덴병의 원리를 연구하고, 이를 바탕으로 자명종과 같은 새로운 과학 기구를 고안하는 데 힘썼다. 라이덴병은 한국에서 근대 과학 기술 수용의 상징적인 존재로 여겨지며, 과학 교육 및 대중화에 기여했다.
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