줄 효과
1. 개요
줄 효과는 제임스 줄의 연구를 통해 발견된 여러 현상을 아우르는 용어이다. 여기에는 전류에 의해 발생하는 열을 설명하는 줄의 가열 법칙, 강자성 재료가 자기장에 노출될 때 모양이 변하는 자기변형 효과, 기체가 자유롭게 팽창하는 줄 팽창, 그리고 탄성 밴드를 늘린 후 가열하면 수축하는 고프-줄 효과 등이 포함된다. 이러한 현상들은 다양한 분야에서 중요한 의미를 지닌다.
2. 줄의 첫 번째 법칙
1840년부터 1843년까지 제임스 줄은 전류에 의해 발생하는 열을 면밀히 연구했다. 이 연구를 통해 그는 줄의 가열 법칙을 만들었는데, 이 법칙 중 첫 번째 법칙을 일반적으로 줄 효과라고 부른다. 줄의 첫 번째 법칙은 도체에서 발생하는 열과 전류의 흐름, 저항, 시간 사이의 관계를 설명한다.
3. 자기변형 효과
자기변형 효과는 강자성 재료가 자기장에 노출될 때 모양이 변하는 성질을 설명한다. 줄(Joule)은 1842년에 강자성 막대의 길이 변화를 관찰했다고 처음 보고했다.
4. 줄 팽창
1845년, 줄은 기체가 더 큰 부피로 자유롭게 팽창하는 현상을 연구했다. 이는 줄-톰슨 효과의 한 종류인 줄 팽창으로 알려지게 되었다. 기체가 자유롭게 팽창하도록 하여 냉각시키는 현상을 때때로 줄 효과라고 부르기도 한다.
5. 고프-줄 효과
탄성 밴드를 먼저 늘린 다음 가열하면 팽창하는 대신 수축하는 현상을 말한다. 이 효과는 1802년 존 고프가 처음 관찰하였으며, 1850년대에 줄이 추가 연구를 진행하여 고프-줄 효과로 알려지게 되었다.
다음은 이 효과를 언급한 문헌의 예시이다.
* 《인기 과학》 잡지, 1972년 1월호: "늘어난 고무 조각은 가열되면 수축한다. 그렇게 함으로써 고무는 인장력이 측정 가능할 정도로 증가한다. 이 놀라운 고무의 특성은 약 100년 전 제임스 프레스콧 줄에 의해 처음 관찰되었으며 줄 효과로 알려져 있다."
* 《공학 재료로서의 고무》(서적), Khairi Nagdi 저: "줄 효과는 기계 설계자가 고려해야 하는 실질적으로 중요한 현상이다. 이 효과를 시연하는 가장 간단한 방법은 고무 밴드에 무게를 매달아 최소 50% 이상 늘어뜨리는 것이다. 적외선 램프가 늘어난 고무 밴드를 데우면 열팽창으로 인해 예상되는 것처럼 늘어나지 않고 수축하여 무게를 들어 올린다."