스스로 깜빡이는 스위치 — 바이메탈 진동자

탐구 주제

IYPT 2022 문제 5 ‘Bimetallic Oscillator’에 관한 원리 해설과 탐구 설계입니다.

IYPT 2022 공식 문제 보기

교육과정 연결

중학교 과학 「열」(고체의 열팽창)·「전기와 자기」(전류의 열작용) / 고등학교 물리학 「전기와 자기」(전기 에너지와 줄열) / 진로선택 「역학과 에너지」(열과 에너지 전환) (2022 개정 교육과정, 단원 코드는 NCIC에서 최종 확인).

핵심 개념

열팽창, 선팽창 계수, 바이메탈, 전류의 열작용(줄열), 열용량, 열 시상수, 대류 냉각, 이완 진동, 진동수, 주기, 접점, 히스테리시스

원리 살펴보기

서로 다른 두 금속을 한 장으로 맞붙이면 무슨 일이 생길까? 많이 늘어나는 금속(예: 구리)과 덜 늘어나는 금속(예: 철)을 붙인 띠, 곧 바이메탈은 가열되면 덜 늘어나는 쪽으로 활처럼 휜다. 두 금속의 길이 차이는 머리카락 굵기보다 작지만, 띠 전체에 누적되어 끝부분에서는 눈에 보이는 큰 움직임으로 증폭된다.

이 띠를 스위치의 접점으로 써 보자. 전류가 흐르면 줄열이 띠를 데우고 충분히 휘는 순간 접점이 떨어져 전류가 끊긴다. 전류가 끊기면 띠는 식어 펴지고 접점이 도로 붙는다. 회로가 자기 자신을 껐다 켜기를 되풀이하는 열-전기 이완 진동자가 된다. 한 번 깜빡이는 시간은 데우는 시간과 식는 시간의 합이므로, 가열 전력·접점 간격·띠의 치수·주변 공기가 모두 진동수를 바꾼다.

이 원리는 옛 자동차 방향지시등(열식 플래셔가 깜빡임 박자를 만든다), 전기 주전자·다리미의 서모스탯(설정 온도에서 껐다 켠다), 열동식 회로 차단기(과전류의 줄열로 휘어 회로를 끊는다), 폐열 에너지 하베스터(뜨거운 면 위에서 진동하는 바이메탈로 폐열을 전기로 바꾼다)에 쓰인다.

실험 설계

준비물

바이메탈 띠(과학 교구용 또는 폐 서모스탯에서 분리), 니크롬선(지름 0.2 mm 이하, 약 30 cm), 직류 저전압 전원(6 V 이하), 꼬마전구(6 V 0.3 A급)와 소켓, 접점용 조절 나사와 금속 받침, 멀티미터, 얇은 내열 절연 테이프, 절연 클램프가 달린 스탠드, 집게 전선, 스마트폰(동영상 촬영), 자.

변인

독립변인은 전원 전압이고(직렬로 놓인 꼬마전구는 저항이 온도에 따라 크게 변해 전류를 거의 일정하게 묶으므로, 히터가 받는 전력은 전압에 비례하지 않는다), 종속변인은 진동수(깜빡임 주기의 역수)이다. 통제변인은 바이메탈 띠, 접점 간격, 실온, 주변 공기의 흐름(창문·선풍기를 닫는다)이다.

실험 순서

1. 바이메탈 띠의 한끝을 절연 클램프로 고정하고, 띠에 얇은 내열 절연 테이프를 한 겹 감은 위에 니크롬선을 5~10회 감아 히터로 삼는다(띠도 회로의 일부라 맨 니크롬선이 닿으면 그 부분이 단락된다). 전원–꼬마전구–히터–띠–접점 나사를 직렬로 잇는다.

2. 전원을 6 V 이하로 켜고 전구가 규칙적으로 깜빡일 때까지 접점 나사를 돌려 간격을 맞춘다. 이후 간격은 끝까지 건드리지 않는다.

3. 한 조건에서 깜빡임 10회 이상을 촬영해 평균 주기를 구한다(같은 조건 3회 반복).

4. 전압을 단계적으로 바꾸며(예: 2, 3, 4, 5, 6 V) 같은 측정을 반복하고, 영상에서 켜짐(가열) 시간과 꺼짐(냉각) 시간도 따로 읽는다. 히터 양단 전압과 회로 전류도 멀티미터로 읽어, 켜짐 구간의 히터 전력 P = VI를 구한다.

안전 안내

반드시 6 V 이하의 저전압 직류 전원만 쓰고, 콘센트(220 V)에 직접 연결하는 개조는 절대 하지 않는다. 통전 중 니크롬선과 바이메탈은 뜨거우므로 맨손으로 만지지 않고, 종이 등 타기 쉬운 물건을 접점 근처에 두지 않는다. 깜빡임이 멈춘 채 전류가 계속 흐르면 과열되니 즉시 전원을 끄고, 자리를 비울 때도 끈다. 꼬마전구는 표시등이면서 전류를 묶는 직렬 저항이므로, 전구를 빼고 히터만 전원에 잇지 않는다. 켜기 전에 멀티미터를 회로에 직렬로 넣어 실제 흐르는 전류가 0.5 A를 넘지 않는지 확인하고, 넘으면 더 가는 니크롬선으로 바꾼다.

예상과 해석

먼저 예상해 보기

전압을 두 배로 올리면 깜빡임은 두 배 빨라질까, 그보다 덜 빨라질까?

자료 정리

전압별 평균 주기를 표로 모은 뒤, 진동수(1/주기)를 전압에 대해 그린다. 켜짐 시간과 꺼짐 시간을 색을 달리해 나눠 그리면 전압이 오를 때 어느 쪽 시간이 변하는지 드러난다. ④에서 잰 히터 전력 P = VI를 가로축으로 다시 그려 개형이 어떻게 달라지는지도 견주자.

결과의 의미

전압이 높을수록 가열이 빨라져 진동수는 커지되, 식는 시간은 거의 그대로여서 증가세가 점점 무뎌지는 경향이 예상된다. 깜빡임의 빠르기 상한을 정하는 것은 전기가 아니라 띠가 식는 열 시상수라는 뜻이다. 바이메탈의 휨은 온도 변화에 비례하므로(티모셴코 이론) 접점 간격을 넓히면 주기가 길어진다. 켜짐·꺼짐 시간을 나눠 읽으면 진동수 하나가 가열과 냉각 두 물리로 분해된다.

더 탐구하기

1. 접점 간격을 나사로 바꾸며 주기를 재어 간격–주기 그래프의 개형을 확인해 보자.

2. 길이나 두께가 다른 띠로 바꾸어 얇고 긴 띠일수록 빨리 깜빡이는지 확인해 보자.

3. 선풍기의 약한 바람을 일정하게 쐬면 꺼짐 시간이 얼마나 줄어드는지 비교해 보자.

4. 비접촉 온도계로 접점이 열고 닫히는 순간의 띠 온도를 재어 열림·닫힘 온도의 히스테리시스를 확인해 보자.

연결 주제

문제 13 ‘촛불 터빈’(열에너지가 터빈의 회전으로 바뀐다), 문제 2 ‘레일리 원반’(원반의 미세한 비틀림으로 소리 세기를 재는 장치) — 열을 운동으로 바꾸는 장치라는 관점과 미세한 움직임을 영상으로 읽는 기법을 이어 쓸 수 있다.

참고문헌

[학생] OpenStax 대학물리(University Physics) 2권 1.3 ‘Thermal Expansion’(바이메탈이 온도계·서모스탯에 쓰이는 원리) / 영상 ‘Flashing Light Prize 2017 submission: Bimetallic switch thermostat oscillator’(pabrdotorg, youtu.be/MTKIRMBRZcA — 바이메탈 스위치 진동자 시연) / 영상 검색어 “bimetallic strip thermostat”, “homemade bimetallic strip” / [심화] S. Timoshenko, “Analysis of Bi-Metal Thermostats,” Journal of the Optical Society of America 11(3), 233–255 (1925), doi:10.1364/JOSA.11.000233 — 균일 가열된 바이메탈의 곡률이 온도 변화에 비례하고 두께에 반비례함을 유도 / A. Arnaud 외, “Piezoelectric and Electrostatic Bimetal-Based Thermal Energy Harvesters,” Journal of Physics: Conference Series 476, 012062 (2013), doi:10.1088/1742-6596/476/1/012062; S. K. T. Ravindran 외, Procedia Engineering 47, 33–36 (2012), doi:10.1016/j.proeng.2012.09.077 — 뜨거운 면 위에서 스스로 진동하는 바이메탈(약 0.2 Hz)로 열을 전기로 바꾸는 연구 / A. Jenkins, “Self-oscillation,” Physics Reports 525(2), 167–222 (2013), doi:10.1016/j.physrep.2012.10.007 — 자려 진동의 총설로, 열식 플래셔를 대표 사례로 다룬다. ※ 줄열로 직접 데우는 접점 차단기형 진동자에서 진동수–전력·접점 간격의 정량 관계를 측정한 문헌은 확인되지 않았으며, 이 관계가 이 탐구의 개방 지점이다.