'전지' 그리고 '마찰'

 

전지(=배터리) : 양극(+) 음극(-)

원시 형태의 전지는 일찍이 기원전 250년 전에 바그다드에서 사용되었으며, 최초의 현대식 전지는 1800년 알렉산드로 볼타가 발명했습니다. '볼트'라는 말은 그의 이름에서 나온 것입니다. 참고로 전 세계 배터리 산업의 연간 매출은 480억 달러에 달한다고 합니다. 

전지(=배터리)는 서로 반응해서 전자라는 음의 전하를 띤 아주 작은 입자를 만들어 내는 전기 화학물질의 저장소를 말합니다. 한 곳에서 다른 곳으로 전자가 흐르면 우리가 사용하는 램프나 텔레비전, 자동차, 카메라 , 인공위성, 휴대전화, 컴퓨터 등에 전력을 공급하는 전류가 생깁니다. 전자는 회로라 불리는 길을 통해 흐르는데 예를 들어 각 가정에 있는 전선이 회로입니다. 

전자는 대부분 음극, 양극, 전기화학물질, 전해질 이렇게 네 부분으로 구성되어 있습니다. 전기화학물질의 반응이 전자를 전지의 한쪽으로 밀어내 마이너스로 표시되는 음극을 만들게 됩니다. 전지의 반대편은 전자가 부족해져서 플러스로 표시되는 양극을 만들어냅니다. 보통 전자는 전하의 균형을 맞추기 위해 음극에서 곧장 양극으로 흐릅니다. 그러나 전지의 가운데에 있는 전해질이 차단 장치 역할을 합니다. 전자가 한쪽에서 다른 쪽으로 흐르는 것을 막는다는 말입니다. 대신에 전자는 음극과 양극을 연결하는 회로를 통해 이동합니다. 

음극과 양극이 직접 연결되어 있다면 전기화학물질은 되도록 빨리 전지를 생산할 것이고, 그렇다면 전지가 전하를 빨리 상실하게 됩니다. 그러나 대부분의 전지는 램프, TV, 라디오 같은 전기 부하에 연결되어 있어서 전자가 서서히 흐르게 돕는다, 그러나 전기화학물질은 결국에는 전자 생산을 멈출 것입니다. 충전 배터리의 경우는 외부 전원이 전자의 흐름을 바꿈으로써 전기화학물질이 반대로 작용하고 음극과 양극의 전자 균형이 회복됩니다. 밤에 휴대전화를 충전기에 꽂으면 전화기 배터리에 일어나는 일이 바로 이것입니다. 

마찰

마찰은 움직이는 물체의 표면을 다른 표면에 문지를 때 물체의 운동을 방해하는 힘입니다. 예를 들어, 풀밭에 공을 굴리면 공이 굴러가는 속도가 느려지면서 완전히 멈추게 되는 것은 마찰 때문인 것입니다. 

아이작 뉴턴의 제1운동 법칙에 의하면, 외부에서 힘이 작용하지 않는 한 움직이던 물체는 계속 움직이려고 합니다. 만일 공을 진공 상태의 우주 공간에 던진다면 공은 영원히 움직일 것입니다. 진공 상태에서는 마찰이 없기 때문입니다. 그러나 지구상에 마찰이 없는 표면은 전혀 존재하지 않습니다. 무엇인가 방해하는 것이 항상 있습니다. 공기 중에 공을 던졌을 때도 공은 공기와 마찰해서 열이 발생하고 속도가 떨어집니다. 

마찰은 물체 표면에서 일어나는 매우 복잡한 분자 상호작용의 결과입니다. 일반적으로 거친 표면은 더 많은 마찰을 일으킵니다. 대표적인 예가 삐죽삐죽한 나무토막 위를 사포로 밀 때 입니다. 얼음판과 같은 부드러운 표면은 마찰을 최소화 합니다. 그러나 이 법칙에도 예외가 있습니다. 2개의 금속 표면을 극도로 평평하고 매끄럽게 만든다면 실제로 두 표면은 냉용접이라 불리는 상태로 달라붙게 됩니다. 이 경우 움직임에 대한 마찰 저항력이 상당히 커집니다. 

마찰의 종류는 많지만 일상생활에서 우리가 주기적으로 접하는 것은 정지 마찰과 운동 마찰입니다. 정지 마찰은 소파가 바닥 위에 단지 놓여있기만 할 때처럼 두 물체가 서로 움직이지 않을 때 일어나는 마찰입니다. 운동 마찰은 두 물체가 서로 움직이고 서로에게 문질러질 때 일어나는 마찰입니다. 또 다른 예는 두손을 맞비비면 마찰로 인해 손이 따뜻해집니다. 일반적으로 정지 마찰이 운동 마찰보다 큽니다. 그렇기 때문에 가구를 움직이려 할 때 처음에는 미는 힘이 더 들지만 일단 움직이기 시작하면 힘이 덜 드는 것입니다. 또한 오일 같은 윤활제는 표면 사이 마찰을 줄여주는 물질입니다. 자동차와 자전거의 브레이크는 마찰을 확대시키으로써 작용하게 됩니다. 운동화 밑창은 도로와의 마찰을 높여 바닥에서 발이 떨어지는 것을 더 쉽게 만듭니다. 이러한 윤활제와 마찰을 연구하는 학문을 마찰공학이라고 합니다.