이온 바람
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1. 개요
이온 바람은 전기장으로 인해 이온이 이동하면서 발생하는 현상이다. 1709년 프랜시스 혹스비가 전기 바람에 대한 최초의 보고서를 발표했으며, 2018년 대한민국과 슬로베니아 연구진은 슐리렌 사진술을 통해 전자와 이온이 이온 바람 생성에 중요한 역할을 한다는 것을 실험적으로 밝혀냈다. 같은 해 MIT 연구팀은 이온 바람으로 추진되는 최초의 프로토타입 비행기를 제작하여 성공적으로 비행했다. 이온 바람은 날카로운 전도체 팁에서 강한 전기장이 형성되어 공기를 이온화시키고, 이온들이 서로 밀어내면서 발생하며, 이 원리를 이용한 이온 추진, 풍력 발전 등의 응용 분야가 연구되고 있다.
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| 이온 바람 | |
|---|---|
| 일반 정보 | |
| 정의 | 높은 정전위로 인해 발생하는 대전 입자의 흐름 |
| 다른 이름 | 전기풍, 코로나풍 |
| 원인 | |
| 코로나 방전 | 날카로운 물체에서 발생하며, 강한 전기장이 중성 분자를 이온화시켜 양이온과 전자를 생성함. |
| 이온 이동 | 이온들은 전기장력에 의해 움직이며, 중성 분자들과 충돌하여 운동량을 전달하고, 이러한 운동량 전달이 중성 분자들의 흐름, 즉 이온 바람을 일으킴. |
| 응용 분야 | |
| 냉각 | 전자 장비 냉각에 사용될 수 있음. |
| 추진 | 이온 추진 기술에 활용될 수 있음. |
| 유체 제어 | 유체 흐름 제어에 사용될 수 있음. |
| 공기 청정 | 공기 중의 입자를 제거하는 데 사용될 수 있음. |
| 작동 원리 | |
| 전기장 형성 | 전극 사이에 높은 전압을 가하여 강한 전기장을 형성함. |
| 이온 생성 | 강한 전기장이 공기 중의 중성 분자를 이온화시켜 양이온과 전자를 생성함. |
| 이온 이동 및 충돌 | 생성된 이온은 전기장력에 의해 움직이며, 중성 분자들과 충돌하여 운동량을 전달함. |
| 유체 흐름 생성 | 이온과 중성 분자 간의 충돌로 인해 중성 분자들이 움직이며, 이 흐름이 이온 바람을 형성함. |
2. 역사
1709년 프랜시스 혹스비는 전기 바람에 대한 최초의 보고서를 작성했다.[8] 1750년 B. 윌슨은 코로나 방전과 관련된 반작용력을 시연했다.[2] 이는 코로나 방전 핀휠이었는데,[3] 날카롭게 구부러진 끝을 가진 자유롭게 회전하는 핀휠 암으로부터의 코로나 방전은[4][5] 공기에 공간 전하를 주어, 극성과 공기의 극성이 동일하기 때문에 핀휠 암을 밀어낸다.[6][7] 마이론 로빈슨은 이 현상에 대한 관심이 1950년대에 다시 높아지면서 광범위한 참고 문헌과 문헌 검토를 완료했다.[9]
2018년, 대한민국과 슬로베니아 연구진은 슐리렌 사진술을 사용하여 전자와 이온이 이온 바람을 생성하는 데 중요한 역할을 한다는 것을 실험적으로 밝혀냈다. 이 연구는 이온 바람을 발생시키는 전기유체역학 힘이 전자와 이온이 중성 입자를 밀어낼 때 발생하는 하전 입자 항력에 의해 발생한다는 직접적인 증거를 처음으로 제시했다.
같은 해 MIT 연구팀은 이온 바람으로 추진되는 최초의 프로토타입 비행기인 MIT EAD Airframe Version 2를 제작하여 성공적으로 비행했다.[10]
2. 1. 초기 연구
1709년 프랜시스 혹스비는 전기 바람에 대한 최초의 보고서를 작성했다.[8] 1750년 B. 윌슨은 코로나 방전과 관련된 반작용력을 시연했다.[2] 이는 코로나 방전 핀휠이었는데,[3] 날카롭게 구부러진 끝을 가진 자유롭게 회전하는 핀휠 암으로부터의 코로나 방전은[4][5] 공기에 공간 전하를 주어, 극성과 공기의 극성이 동일하기 때문에 핀휠 암을 밀어낸다.[6][7] 마이론 로빈슨은 이 현상에 대한 관심이 1950년대에 다시 높아지면서 광범위한 참고 문헌과 문헌 검토를 완료했다.[9]2. 2. 20세기 이후 연구
프랜시스 혹스비는 1709년에 전기 바람에 대한 최초의 보고서를 작성했다.[8] 1950년대 마이론 로빈슨은 이 현상에 대한 광범위한 참고 문헌과 문헌 연구를 수행했다.[9]2018년, 대한민국과 슬로베니아 연구진은 슐리렌 사진술을 사용하여 전자와 이온이 이온 바람을 생성하는 데 중요한 역할을 한다는 것을 실험적으로 밝혀냈다. 이 연구는 이온 바람을 발생시키는 전기유체역학 힘이 전자와 이온이 중성 입자를 밀어낼 때 발생하는 하전 입자 항력에 의해 발생한다는 직접적인 증거를 처음으로 제시했다.
같은 해 MIT 연구팀은 이온 바람으로 추진되는 최초의 프로토타입 비행기인 MIT EAD Airframe Version 2를 제작하여 성공적으로 비행했다.[10]
3. 메커니즘
도체 위의 순 전기 전하, 쌍극자와 관련된 국부 전하 분포를 포함하여, 완전히 외부 표면에 위치하며(페러데이 케이지 참조), 평평한 표면보다 날카로운 점과 가장자리에 더 집중되는 경향이 있다. 이것은 날카로운 전도체 점의 전하에 의해 생성된 전기장이 동일한 전하가 크고 매끄러운 구형 전도 쉘에 위치할 때 생성되는 전기장보다 훨씬 강하다는 것을 의미한다. 이 전계 강도가 코로나 방전 개시 전압(CIV) 구배라고 알려진 것을 초과하면 팁 주변의 공기를 이온화하고, 전도성 팁에서 어두운 상태에서 작고 희미한 보라색 플라즈마 제트가 보일 수 있다. 근처의 공기 분자가 이온화되면 대전된 팁과 동일한 극성을 가진 이온화된 공기 분자가 생성된다. 결과적으로 팁은 같은 전하를 띤 이온 구름을 밀어내고, 이온 자체 사이의 반발력으로 인해 즉시 확장된다. 이러한 이온의 반발은 팁에서 발산되는 전기 "바람"을 생성하며, 일반적으로 팁에서의 기압 변화로 인해 쉬하는 소리가 동반된다. 접지에 단단히 고정되지 않으면 반대 방향의 힘이 팁에 작용하여 반동을 일으킬 수 있다.
날개 없는 이온 풍력 발전기는 역함수를 수행하여 주변 풍력을 사용하여 이온을 이동시키고, 이를 수집하여 전기에너지를 생성한다.
3. 1. 이온화 과정
도체 위의 순 전하(쌍극자와 관련된 국부 전하 분포 포함)는 완전히 외부 표면에 위치하며(페러데이 케이지 참조), 평평한 표면보다 날카로운 점과 가장자리에 더 집중되는 경향이 있다. 이것은 날카로운 전도체 점의 전하에 의해 생성된 전기장이 동일한 전하가 크고 매끄러운 구형 전도 쉘에 위치할 때 생성되는 전기장보다 훨씬 강하다는 것을 의미한다. 이 전계 강도가 코로나 방전 개시 전압(CIV) 구배라고 알려진 것을 초과하면 팁 주변의 공기를 이온화하고, 전도성 팁에서 어두운 상태에서 작고 희미한 보라색 플라즈마 제트가 보일 수 있다. 근처의 공기 분자가 이온화되면 대전된 팁과 동일한 극성을 가진 이온화된 공기 분자가 생성된다. 결과적으로 팁은 같은 전하를 띤 이온 구름을 밀어내고, 이온 자체 사이의 반발력으로 인해 즉시 확장된다. 이러한 이온의 반발은 팁에서 발산되는 전기 "바람"을 생성하며, 일반적으로 팁에서의 기압 변화로 인해 쉬하는 소리가 동반된다. 접지에 단단히 고정되지 않으면 반대 방향의 힘이 팁에 작용하여 반동을 일으킬 수 있다.3. 2. 이온풍 생성
이온화된 공기 분자는 대전된 팁과 같은 극성을 띠며 서로 밀어낸다. 이러한 반발력으로 인해 팁에서 이온풍이 발생한다. 도체 위의 순 전기 전하는 날카로운 점과 가장자리에 더 집중되는 경향이 있다. 이는 날카로운 전도체 점의 전하에 의해 생성된 전기장이 크고 매끄러운 구형 전도 쉘에 위치할 때 생성되는 전기장보다 훨씬 강하기 때문이다. 이 전계 강도가 코로나 방전 개시 전압(CIV) 구배를 초과하면 팁 주변의 공기가 이온화되고, 전도성 팁에서 플라즈마 제트가 보일 수 있다. 근처의 공기 분자가 이온화되면 대전된 팁과 동일한 극성을 가진 이온화된 공기 분자가 생성된다. 결과적으로 팁은 같은 전하를 띤 이온 구름을 밀어내고, 이온 자체 사이의 반발력으로 인해 즉시 확장된다. 이러한 이온의 반발은 팁에서 발산되는 전기 "바람"을 생성하며, 일반적으로 쉬하는 소리가 동반된다.4. 응용
4. 1. 이온 추진
4. 2. 풍력 발전
5. 한국의 연구 성과
참조
[1]
뉴스
What causes ionic wind?
https://phys.org/new[...]
Phys.org
2018-02-07
[2]
간행물
"DIVISION OF ENGINEERING": ENGINEERING ASPECTS OF ELECTROGASDYNAMICS
http://onlinelibrary[...]
1968
[3]
웹사이트
Demo 41-06 Pinwheel - Video Encyclopedia of Physics Demonstrations
http://www.physicsde[...]
2014-04-16
[4]
웹사이트
Electrostatic pinwheel:Van de Graaff makes pinwheel spin - Lecture Demonstrations - UC Berkeley Physics
http://berkeleyphysi[...]
[5]
웹사이트
Fun with Static Electricity, Elliott County 4H - Science Fun, Inc. - Alan Kuehner (ret.) Brookhaven National Laboratory
http://members.mrtc.[...]
[6]
웹사이트
Electostatic pinwheel - Indiana University Demo Reservation
http://physics.india[...]
[7]
웹사이트
Electrostatic Pinwheel, European, later 19th century - The Bakken - A Library and Museum of Electricity in Life
http://oldsite.theba[...]
2014-04-16
[8]
논문
History of the electric wind
1962-05
[9]
문서
Movement of Air in the Electric Wind of the Corona Discharge
1960-06-08
[10]
뉴스
MIT engineers fly first-ever plane with no moving parts
https://news.mit.edu[...]
MIT News
2018-11-21
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