2026년 9월 30일 · 용티IYPT 1996 · 문제 14 · 전자기학

전파가 닿으면 쇠 줄밥이 붙는다 — 코히러

V2 공개자료 교차확인 — 둘 이상의 독립된 자료로 확인

탐구 주제

IYPT 1996 문제 14 ‘Coherer’에 관한 원리 해설과 탐구 설계입니다.

IYPT 1996 공식 문제 보기

교육과정 연결

중학교 과학 「전기와 자기」(전류·전압·저항, 옴 법칙) / 고등학교 과학탐구실험1 「과학의 본성과 역사 속의 과학 탐구」(무선 통신의 태동) / 진로선택 「전자기와 양자」(전기 회로와 저항, 교류) (2022 개정 교육과정, 단원 코드는 NCIC에서 최종 확인).

핵심 개념

접촉 저항, 산화막, 문턱 전압, 비선형 U–I 특성, 히스테리시스, 마이크로 용접, 줄열, 임피던스, 용량 리액턴스, 병렬 RC 회로, 꺾임 진동수, 실효값과 최댓값, 코히러(브랜리) 효과, 디코히러, 검파기

원리 살펴보기

전파가 닿으면 왜 쇠 줄밥의 저항이 뚝 떨어질까? 유리관에 느슨히 채운 금속 줄밥은 알갱이마다 나노미터 두께의 산화막에 덮여 처음에는 저항이 수 MΩ에서 수십 MΩ에 이른다. 그런데 가까이서 불꽃이 튀면 저항이 몇 자릿수나 내려앉고, 전파가 사라져도 낮은 저항 상태가 그대로 남는다. 톡 두드려야 높은 저항으로 되돌아간다. 1890년 브랜리가 발견하고 로지가 ‘달라붙는다’는 뜻의 라틴어를 따 이름 붙인 이 소자가 최초의 무선전신 수신기였다.

무엇이 급락을 결정할까. 문헌이 가리키는 지배 변수는 진동수도 전류도 아닌 접촉 하나에 걸리는 전압이다. 스테인리스강 구슬 사슬에서 이 값은 접촉당 약 0.4 V로 일정했고(청동 0.2 V·황동 0.3 V), 그만한 전압이면 접촉점 온도가 1000 °C를 넘어 금속이 녹아 붙는다 — 마이크로 용접이다. 그렇다면 문제가 묻는 진동수 의존성은 어디서 오는가. 산화막이 낀 접촉은 큰 저항과 작은 축전기의 병렬이라, 진동수가 높아지면 전류가 축전기 쪽으로 새고 임피던스가 떨어진다. 알루미늄 알갱이 단층의 절연 상태에서 R = 25 MΩ, C = 0.5 pF가 측정된 적이 있고, 이 조합의 꺾임 진동수 1/(2πRC)는 약 13 kHz — 함수 발생기가 닿는 자리다.

이 물리는 낡은 검파기에 머물지 않는다. 전기 접점·커넥터 설계(릴레이·스위치의 산화막을 뚫는 문턱 전압이다), 저항 변화형 메모리(ReRAM)와 멤리스터(절연막에 문턱 전압을 걸어 전도성 통로를 만들고 지운다), 분체 전극과 전도성 페이스트(전지 전극·금속 분말에서 알갱이 접촉 저항이 성능을 가른다), 접촉 불량 진단과 전기 화재 예방(느슨한 접점의 국부 발열이 같은 물리다)에 이어진다.

실험 설계

준비물

투명한 유리관이나 플라스틱 관(안지름 5~8 mm), 쇠 줄밥(강모 수세미를 잘라 써도 된다), 전극용 볼트 두 개와 집게 전선, 함수 발생기, 2채널 오실로스코프와 ×10·×1 프로브, 기준 저항기(10 Ω·100 Ω·10 kΩ·1 MΩ)와 교정용 22 MΩ, 멀티미터, 직류 전원(건전지)과 보호 저항, 두드림용 막대, 자석, 보안경. 프로브의 입력 임피던스(×10 기준 10 MΩ ∥ 약 10 pF)를 확인해 모형의 병렬 성분으로 넣는다.

변인

독립변인은 신호의 진동수(20 Hz~100 kHz), 종속변인은 그때 잰 임피던스의 크기 |Z| = V/I와 위상차다. 통제변인은 코히러 양단 전압의 최댓값(문턱보다 훨씬 낮게 고정), 전극 간격, 줄밥의 양과 다짐 상태, 실온이다. 뒤쪽 실험에서는 종속변인만 급락 순간의 전압 최댓값(문턱 전압)으로 바꾼다.

실험 순서

  1. 관에 볼트 전극 두 개를 간격 3 mm 남짓으로 끼우고 쇠 줄밥을 느슨하게 채운다. 줄밥은 닦지 않는다 — 산화막이 없으면 이 현상이 나타나지 않는다. 초기 저항이 MΩ대인지 본다.

  2. 직류 전원에 보호 저항을 직렬로 넣고 전압을 천천히 올려, 저항이 급락하는 순간의 전압을 읽는다. 톡 두드려 되돌린 뒤 3회 이상 되풀이하고, 전극 간격을 늘려 문턱이 커지는지 본다 — 간격이 접촉 수를 정하지는 않는다.

  3. 함수 발생기 → 코히러 → 기준 저항 → 접지 순으로 잇고, 프로브는 발생기 출력과 기준 저항 상단에 건다 — 코히러 전압은 두 채널의 차다. 1 MΩ 기준 저항에는 프로브 용량 10 pF가 실려 16 kHz 부근에 제 꺾임이 생기니, 코히러 자리에 22 MΩ 저항을 끼워 |Z|가 평평한지 먼저 확인한다. 최댓값 전압을 문턱보다 훨씬 낮게 고정한 채 진동수만 20 Hz에서 100 kHz까지 바꾸며 |Z|와 위상차를 구한다.

  4. 줄밥을 뺀 빈 관으로 ③을 되풀이한다. 전선과 프로브의 떠돌이 용량이 실리므로, 이 값이 바탕값이다.

  5. 진동수마다 진폭을 올려 급락 순간의 전압 최댓값을 기록하고, 매번 두드려 되돌린다. 실효값이 아니라 최댓값으로 견준다.

  6. 낮은 저항이 된 상태에서 ③을 되풀이해 진동수 의존성이 남는지 본다. 이때는 기준 저항을 10~100 Ω으로 낮추고 ×1 프로브로 바꿔야 코히러 전압이 읽힌다.

안전 안내

⚠ 안전

전압은 낮게 유지한다. 함수 발생기와 직류 전원 모두 몇 V를 넘기지 않고, 보호 저항을 직렬로 넣어 전류를 mA 수준으로 제한한다(문헌의 수백 V 실험은 재현하지 않는다). 쇠 줄밥은 눈과 호흡기에 위험하니 보안경을 쓰고, 자석으로 모아 밀폐 용기에 보관한다. 유리관은 잘 깨지니 전극을 억지로 밀어 넣지 말고, 전류를 오래 흘려 두지 않는다.

예상과 해석

먼저 예상해 보기

최댓값 전압을 똑같이 두고 진동수만 20 Hz에서 100 kHz까지 올리면 코히러의 임피던스는 그대로일까, 떨어질까? 문턱 전압도 진동수에 따라 달라질까?

자료 정리

진동수별 |Z|와 위상차를 표로 모아 세로축 |Z|·가로축 진동수의 로그–로그 그래프를 그린다. 저항과 축전 용량의 병렬 모형은 낮은 진동수에서 |Z| ≈ R로 평평하다가 꺾임 진동수 1/(2πRC)를 지나 기울기 −1로 내려간다고 예측하므로, 꺾이는 자리에서 C를 구한다. 빈 관에서 얻은 C를 전체 C에서 빼 코히러 몫을 얻는다 — 임피던스 값을 직접 빼지 않는다. 문턱 실험은 세로축 문턱 전압·가로축 진동수 그래프로 따로 정리한다. (그래프는 축과 개형만 잡고, 실측 전에는 수치를 채우지 않는다.)

결과의 의미

문턱 아래에서 잰 임피던스는 낮은 진동수에서 평평하다가 꺾임 진동수를 지나며 떨어질 것이다. 곧 ‘교류에서 저항이 작다’는 진술은 전도 통로가 달라져서가 아니라 산화막의 축전 용량으로 전류가 새기 때문일 수 있다. 뒤쪽 실험이 이를 시험한다. 문턱이 최댓값 전압으로 정리되고 진동수에 무관하다면, 직류와 교류의 차이는 상당 부분 파형 탓이다 — 같은 실효값이라도 교류는 최댓값이 √2배라 먼저 문턱을 넘긴다. 반대로 문턱이 진동수를 탄다면 접촉점이 데워지고 식는 시간(문헌은 마이크로초 규모)이 끼어든 것이다. 붙은 뒤에는 저항이 수 Ω이라 꺾임 진동수가 훨씬 높이 밀려 진동수 의존성은 사라져야 한다 — 이 대조가 해석을 가른다.

더 탐구하기

  1. U–I 특성을 오실로스코프의 XY 모드로 띄워, 진동수를 바꾸면 히스테리시스 고리가 어떻게 달라지는지 보자 — 코히러를 멤리스터로 읽는 논의와 닿는다. 매번 두드려 되돌리지 않으면 고리는 한 번만 그려진다.

  2. 쇠 줄밥 대신 알루미늄 알갱이·구리 가루·강철 구슬로 바꿔, 문턱 전압이 재료에 따라 어떻게 달라지는지 견주어 보자.

  3. 문헌은 접촉당 문턱이 가한 힘과 무관하고 직렬 접촉 수에만 의존한다고 보고했다. 다짐이 문턱을 바꾼다면 그것이 힘 자체가 아니라 접촉 수가 달라진 탓인지 확인해 보자.

  4. 압전 점화기로 몇십 cm 떨어진 곳에서 불꽃을 튀겨, 유선으로 걸었을 때와 같은 급락이 일어나는지 보자.

연결 주제

같은 1996년 문제 8 ‘수면파 통신’ — 전파 쪽에서 그 검파 소자 노릇을 한 것이 코히러다. 매질만 다를 뿐 받은 신호를 읽어 내는 같은 물음이다. 물리 2020 문제 10 ‘종이 위 전도성 선’과는 알갱이 접촉 저항을 재는 계열로 이어지되, 문헌은 코히러의 급락을 퍼콜레이션이 아닌 접촉 하나의 국소 현상으로 본다.

참고문헌

[학생] A. Mills, “The coherer: with simple demonstrations of the generation, propagation and detection of radio waves,” Physics Education 45(2), 147–152 (2010) (코히러 제작과 전파 시연; DOI 10.1088/0031-9120/45/2/003) · 영상 검색어 “coherer iron filings radio detector”, “Branly effect demonstration” / [심화] E. Falcon, B. Castaing, “Electrical conductivity in granular media and Branly’s coherer: A simple experiment,” Am. J. Phys. 73(4), 302–307 (2005) (접촉당 문턱 전압 ≈ 0.4 V, 전기열 결합에 의한 마이크로 용접; DOI 10.1119/1.1848114, arXiv cond-mat/0407773) · D. Vandembroucq, A. C. Boccara, S. Roux, “Breakdown patterns in Branly’s coheror,” J. Phys. III 7(2), 303–310 (1997) (절연 상태에서 R = 25 MΩ·C = 0.5 pF, 저항–축전기 회로망 모형; arXiv cond-mat/9807012) · G. Gandhi, V. Aggarwal, L. O. Chua, “The First Radios Were Made Using Memristors!,” IEEE Circuits and Systems Magazine 13(2), 8–16 (2013) (코히러를 멤리스터로 읽는 해석; DOI 10.1109/MCAS.2013.2256255). ※ 문헌은 직류 문턱과 절연 상태의 임피던스를 각각 다루지만, 최댓값 전압을 고정한 채 진동수만 바꿔 코히러 저항을 잰 체계적 자료는 찾기 어렵다 — 이 탐구의 개방 지점이다.

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