LG사이언스랜드

전체메뉴보기 검색 과학상자

반짝이는 꼬마전구에 숨은 과학! 목록

조회 : 11321 | 2011-12-20


해마다 연말이면 하늘의 모든 반짝이는 별들이 지상에 내려앉은 것처럼 나무며 건물 외벽에서 별들이 반짝이는 것을 볼 수 있는데요, 바로 크리스마스트리 등에 쓰이는 꼬마전구 이야기입니다.
요즘 우리 주변을 둘러보면 깜빡거리기도 하고, 점차 빛이 밝아졌다가 어두워지기도 하고, 제각기 다른 오색빛을 내뿜기도 하는 꼬마전구들을 흔히 볼 수 있습니다.
지난 주 신문에서는 2면에 걸쳐 한 수목원에 설치된 LED 꼬마전구들이 오색빛을 발하는 모습이 사진으로 실리기도 했습니다. 겨울 잎이 지고 삭막한 수목원에 나무들이 동면을 취하는데 방해가 되지 않는 한도 내에서 전등을 설치해 관광객들의 호응이 좋다는 내용이었습니다.
또 얼마 전에는 꼬마전구의 폭발 위험성에 대한 뉴스가 보도되기도 했는데요, 인증을 받지 않은 불량품들이 시중에 많이 유통되고 있어 폭발위험이 있다는 내용이었습니다.
이런 불량 꼬마전구들이 폭발하게 되면 주변에 마른 나무나 종이 같은 불붙기 쉬운 것들이 있을 경우 큰 화재로까지 이어질 수 있다고 하네요.
이번 주 따끈따끈 과학 코너에서는 이런 꼬마전구와 관련된 기사를 모아모아 겨울밤을 알록달록 물들이고 있는 꼬마전구 속에 들어있는 과학 이야기를 꺼내볼까 합니다.

반짝이는 꼬마전구가 설치된 크리스마스트리. / 이미지 출처 : 퍼블릭 도메인(wikipedia)



*알아보기*
- 반짝이는 꼬마전구들, 직렬 연결일까 병렬 연결일까?
- 꼬마전구들이 꺼졌다 켜졌다 하는 원리는?
- 직렬 연결과 병렬 연결의 장단점은?



*관련교과*
초등학교 3학년 과학 빛과 그림자
초등학교 5학년 과학 전기회로
초등학교 6학년 과학 빛



반짝이는 꼬마전구들, 직렬 연결일까 병렬 연결일까?
과학 수업 중 전기회로 단원이 친구들이 가장 어려워하는 내용 중 하나일 거예요. 어렵게 생각하면 머리가 지끈지끈 아파오는 전기회로, 이제 좀 쉽게 생각해 보면 어떨까요?
바로 겨울이 오면 반짝반짝 오색빛으로 거리를 물들이는 꼬마전구들을 눈으로 살펴보면 조금 쉽게 이해할 수 있거든요.
우선 직렬과 병결이란 용어부터 설명해 볼까요? 직렬이란 한 줄로 나란히 연결된 것을 말하고, 병렬은 한 줄이 아니라 여러 줄로 연결된 것을 말합니다.
전지도 직렬이나 병렬로 연결할 수 있지만, 전구 또한 직렬이나 병렬로 연결할 수 있답니다. 우리는 꼬마전구는 전지가 아닌 전구의 직렬과 병렬만 살펴보게 됩니다. 친구들은 전지의 직렬, 병렬 연결에 대해서도 꼭 찾아 정리해 보도록 하세요.

그럼, 크리스마스트리에 사용되는 꼬마전구의 꼬여있는 선을 살짝 풀어 볼까요?








그림 A. 크리스마스트리에 사용되는 꼬마전구를 풀어 그려본 그림.




이 전구들은 직렬로 연결된 것일까요? 아니면 병렬로 연결된 것일까요?
직렬과 병렬 연결 둘다 이용된 것인데요, 자세히 살펴보면 전구들이 직렬로 연결된 두 줄이 서로 병렬로 연결된 것임을 알 수 있습니다. 이해가 어려운 친구들을 위해 하나씩 뜯어 살펴볼까요?








그림 B. 그림 A에는 직렬로 연결된 전구들이 두 줄 있다.




이 전구들은 서로 직렬로 나란히 연결되어 있습니다. 그림 A에는 이렇게 직렬로 연결된 전구 두 줄이 있는데요. 이 두 줄은 또 서로 연결되어 있습니다.








그림 C. 그림 B처럼 전구가 직렬로 연결된 두 줄이 서로 병렬 연결되어있다.




크리스마스트리나 거리를 장식하고 있는 이런 꼬마전구들은 대부분 이렇게 직렬 연결과 병렬 연결의 혼합 방식을 택하는데요, 그 이유는 직렬 연결과 병렬 연결이 분명한 장단점들을 가지고 있기 때문이랍니다.








꼬마전구에는 직렬 연결과 병렬 연결의 장단점을 모두 고려해 직렬과 병렬 연결이 혼합 사용된다. / 이미지 출처 : 퍼블릭 도메인(wikipedia)



직렬 연결과 병렬 연결의 장단점은?
꼬마전구들을 직렬과 병렬 혼합 방식으로 연결한 이유는 무엇일까요? 결론부터 말하면 직렬 연결만으로 크리스마스트리를 만들면 전구 하나가 고장 나면 전체 전구가 다 꺼지고, 병렬로만 연결하면 전선이 많이 소비되기 때문이랍니다.
크리스마스트리를 직렬로만 연결한 전구로 장식할 경우, 어느 전구 하나의 필라멘트가 끊기거나 해서 전체 트리에 불이 들어오지 않을 경우 그 전구를 찾는 게 쉽지 않겠지요? 전체를 모두 떼어내고 새로운 전구로 장식을 해야 할 지도 모르지요. 또 병렬로만 연결할 경우 엄청난 전선이 나무를 칭칭 감아야 하는 단점도 있고요. 이런 장단점들 때문에 전선이 최대한 짧게 소모되는 직렬 연결과 어느 전구 하나에 문제가 생겨도 또 다른 줄의 전구들은 반짝일 수 있도록 병렬 연결을 함께 혼합하는 방식으로 크리스마스 장식용 꼬마전구들을 연결하는 것이랍니다.
]그러니 위처럼 직렬로 연결한 전구 두 줄을 병렬로 배치할 경우, 전구 한 개가 문제가 생기면 직렬로 연결된 전구들은 모두 불이 들어오지 않지만, 병렬로 연결된 다른 줄의 전구들은 불이 켜지기 때문에 그 피해를 최소화 할 수 있다는 거예요.




다시 한 번 전구의 직렬 연결과 병렬 연결에 대해 정리해 볼까요?
직렬 연결 회로에서 전구 한 개를 빼내거나 필라멘트가 끊어지면 회로가 차단되기 때문에 전류가 흐르지 않습니다. 즉, 전체 전구에 불이 켜지지 않는 것이지요. 직렬 연결 회로에서는 전구가 한 개 더 연결되면 회로 전체의 저항이 커지기 때문에 각 전구의 밝기는 줄어듭니다. 그러니까 직렬로 연결된 경우 전구의 개수가 많아지면 많아질수록 전구의 밝기는 줄어드는 거지요.
병렬 연결 회로에서는 전구 한 개에 문제가 생기더라도 서로 병렬로 연결된 다른 전구들은 영향을 받지 않고 빛을 낼 수 있습니다. 또 병렬 연결의 경우에는 전구 한 개를 더 병렬로 연결시키더라도 다른 회로에 영향을 미치지 않기 때문에 각 전구의 밝기에는 아무런 영향을 미치지 않습니다.

그림 A에 전구 한 줄을 더 병렬로 연결하더라도 전구의 밝기는 똑같지만, 직렬로 연결된 각 줄에 전구를 하나씩 더 달면 그 줄에 달린 전구의 밝기는 모두 어두워지게 됩니다.



꼬마전구들이 꺼졌다 켜졌다 하는 원리는?
꼬마전구들이 전선의 소모를 줄이기 위해, 전구 한 개가 고장났을 경우 전체 전구에 불이 꺼지는 것을 막기 위해 병렬과 직렬 연결을 혼합하는 방식을 사용했다고 했는데요, 그렇다면 꼬마전구들이 꺼졌다 켜졌다 하며 깜빡이는 원리는 무엇일까요?
그 이유는 바로 바이메탈이라 불리는 열팽창개수가 다른 두 금속을 붙여놓은 금속판을 이용한 전구에 있습니다. 예를 들어 구리와 철을 붙여놓은 바이메탈의 경우에는 구리가 철보다 열팽창률이 높기 때문에 열을 받게 되면 구리가 더 많이 늘어나고 금속판은 덜 늘어나는 철 쪽으로 휘게 되겠지요? 이런 성질 때문에 바이메탈은 열-전기 기구의 제어 장치로 사용되고 있습니다.








그림 D. 위 그림처럼 바이메탈이 적용된 전구 한 개를 끼워두면(별표가 그려진 전구) 꺼졌다 켜졌다를 반복하며 반짝이는 크리스마스트리 전등이 된다.




크리스마스트리에 사용되는 전구의 깜빡임 역시 이 바이메탈을 이용한 것인데요, 전구에 전류가 흘러 열을 받으면 바이메탈이 한쪽으로 휘면서 자동으로 전류를 차단하게 됩니다. 그러다 잠시 후 식어 바이메탈이 원상태로 돌아오면 다시 전류가 흘러 전구에 불이 들어오고 또 전류가 흘러 바이메탈이 열을 받아 휘게 되면 전구에 불이 꺼지고 하는 과정을 반복하게 되는 것이랍니다.

*바이메탈 : 바이메탈(bimetal)은 온도에 따라 다르게 휘는 두 금속판을 이용하여 온도를 조절할 수 있는 기기를 말합니다. 구리와 철처럼 서로 열팽창률이 다른 두 금속을 사용하지만, 실제로는 팽창이 잘 되지 않는 금속으로는 니켈과 철의 합금을, 팽창이 잘 되는 금속은 니켈과 망간 그리고 철의 합금이나 니켈, 몰리브덴, 철의 합금 또는 니켈과 망간, 구리 합금 등이 사용되기도 합니다.
온도가 올라가다 일정 온도 이상이 되면 꺼지는 전기다리미나 전기주전자, 전기장판 같은 온도조절이 필요한 가정용 전기기구나 전류제한기, 자동 개폐기 등에 사용되고 있습니다.

전기 회로, 좀 어렵지만 우리 주변에서 사용되는 전기기구들을 잘 들여다보면 한결 쉽게 병렬과 직렬 연결의 장단점들을 살펴볼 수 있답니다.



*더 찾아보기*
- 사이언스 올 동영상 보기 :직렬 연결과 병렬 연결이 사용되어지는 원리에 대해 실험으로 쉽게 설명한다.
http://www.scienceall.com/contents/contents.sca?todo=archiveview&knd=&code=&bbsid=44&articleid=20689&sbseq=&subjectType=&step=&fsseq=&pageno=1&pagesize=3&skeyword=%BA%B4%B7%C4





*한 걸음 더*
- 나무의 동면을 방해하지 않기 위해 LED 조명을 사용했다고 했는데요, 이전에 따끈따끈 과학에서도 LED에 대해 살펴본 적이 있습니다. LED 조명에 대해 좀 더 자세히 살펴보도록 하세요. 따끈따끈 과학 바로보기: 더 작게, 더 얇게, 더 가볍게 만드는 LED
- 우리가 일상생활에서 사용되는 것들 중에 전지가 직렬 연결되는 것과 병렬 연결된 것들을 구분해 보세요. 사용기간과도 관련이 있답니다. 또 전구 빛의 밝기 차이를 내는 직렬과 병렬 연결된 것들도 찾아 정리해 보도록 합시다.
(예, 리모컨, 자동차 장난감, 시계, 손전등 등.)




주제!
전기 ,회로
관련단원 보기
*초등5학년 2학기 전기회로
생각보다 다양한 회로의 종류 3
*초등5학년 2학기 전기회로
반짝이는 꼬마전구에 숨은 과학!
사진올리기 바로가기