모기 박쥐는 어떻게 작동합니까? | 설명하기

겨울이 지나가고 여름 더위가 더워지기 시작하면 우리 주변에 찾아오는 방문객이 있습니다. 바로 유비쿼터스 모기입니다. 내가 가르치는 IIT Kanpur의 복도, 교실, 찻집 등 어디에서나 우리는 이 멋진 생물들이 우리 주위에 모여드는 것을 발견합니다.

종종 아침에 그들은 심야 잔치를 통해 너무 배불러서 그들 중 일부는 자신의 몸무게조차 지탱할 수 없습니다. 물리학과 생물학의 가장 아름다운 요소 중 일부가 포함되어 있지만 은밀하게 피부를 뚫는 기술을 고려하면 대부분의 인간이 사랑하기가 어렵습니다.

인간이 이에 맞서기 위해 개발한 모든 전자 및 화학 기술 중에서 아마도 가장 인상적인 것은 “전기 테니스 라켓”일 것입니다. 모르는 사람은 그것을 인디언들이 사랑하는 스포츠 장비로 착각할 수도 있지만, 이 싱글 플레이어 게임은 재미있습니다. 방망이로 공중에 떠다니는 모기를 쫓아 때립니다. 성공하면 뱀파이어의 몸이 쪼개져 죽는 아름다운 소리가 들린다.

회로를 완성하세요

박쥐의 작동 원리는 간단합니다. 세 개의 금속 격자가 있습니다. 중앙 부분은 양전하를 띠고 바깥쪽 부분은 음전하를 띠고 있습니다. 층이 서로 닿지 않으면 전류가 흐르지 않습니다. 그러나 이제 모기에 부착하면 전류가 통과하여 곤충을 죽입니다.

본질적으로 모기는 폭풍우가 치는 밤에 번개를 맞은 것처럼 전기 충격을 받습니다. 모기 박쥐는 모기에 의한 뇌우입니다. 불꽃과 번개의 물리학은 그것이 가스 라이터에 있든, 폭풍우 뱃속에 있든, 모기 방망이에 있든 동일합니다.

따라서 다음과 같은 질문이 생깁니다. 번개와 같은 전기 스파크가 흰색으로 나타나는 이유는 무엇입니까? 이것이 전류의 ‘색’이라면 집안의 전선을 통해 흐르는 전류도 모두 흰색이어야 하지 않을까? 그러나 그들은 그렇지 않습니다.

배터리 및 충격

전류는 일반적으로 각 원자의 양전하 양성자를 공전하는 음전하 기본 입자인 전자에 의해 전달됩니다. 각 원자는 동일한 수의 양성자와 전자를 포함하므로 전기적으로 중성이 됩니다.

구리와 같은 금속 조각에는 많은 수의 원자가 있지만 각 원자는 다른 원자와 일부 전자를 공유하기도 합니다. 전체 물질은 중성을 유지하지만 이러한 공유 전자는 각 원자에서 다른 원자로 자유롭게 이동할 수 있어 쉽게 전류를 전도할 수 있습니다.

반면, 절연체에서는 각 원자가 전자를 보유하고 공유하지 않습니다. 우리가 숨쉬는 공기는 우리 대부분의 경우와 마찬가지로 훌륭한 절연체입니다. 이 장벽은 높은 전압을 가함으로써 무너질 수 있으며, 이는 전자를 원자 밖으로 강제로 밀어냅니다. 갑자기 중성 공기 대신에 양전하를 띤 원자와 음전하를 띤 전자로 구성된 가스가 함께 떠다니게 되었습니다.

배터리는 전기력을 생성합니다. 생성되는 전력량은 배터리 전압에 따라 달라집니다. 전압이 높을수록 전력이 커집니다. 예를 들어 벽시계에 전원을 공급하는 연필 배터리는 일반적으로 1.5V입니다. 휴대폰 배터리의 범위는 비슷합니다.

시계와 휴대폰에 전류를 흐르게 할 만큼 강력하지만 인간에게 전기 충격을 줄 만큼 강력하지는 않습니다. 그렇기 때문에 손에 쥐었을 때 걱정할 필요가 없습니다. 반면에 우리가 사용하는 가전제품에 공급되는 전류는 220V로 우리를 감전시킬 수 있는 정도입니다.

뇌우가 치는 동안 전압은 1억 볼트를 초과할 수 있어 전자가 공기 중으로 날아갈 수 있습니다.

원자 기호 불꽃

강한 전압은 이온화되어 원자에서 전자를 끌어당깁니다. 이 불행한 원자는 전자를 되찾기 위해 노력합니다. 전자가 되돌아가면 가지고 있는 “과잉” 에너지를 잃어야 하며, 빛을 방출하여 이를 수행합니다. 이는 불안한 어린이가 비명을 지르거나 불안한 운전자가 칸푸르에서 교통을 통해 경적을 울려 에너지를 잃을 때 일어나는 것과 유사합니다.

전자가 에너지를 잃을 때마다 빛은 특정 파장을 갖게 됩니다. 공기의 경우, 전자에 의해 손실된 빛은 인간의 눈이 볼 수 있는 파장 범위에 있습니다. 이 빛은 우리가 보는 것입니다.

빛과 불꽃의 색깔은 원자의 종류에 따라 달라집니다. 실제로 이 방출은 원자의 지문 또는 고유 식별자로 간주될 수 있습니다. 예를 들어, 공기 중에서 대부분의 원자는 산소와 질소로 구성되어 있으므로 스파크는 흰색이거나 거의 흰색입니다. 반면, 네온 분위기를 지닌 일부 외계 행성에서는 불꽃이 빨간색으로 나타납니다.

흥미롭게도 이것은 또한 라이트 튜브에 들어가는 물리학이지만 약간 다른 방식입니다.

하나를위한 모두

모기와 모기 박쥐로 돌아가서: 이 장치는 얼마나 많은 전압을 생성합니까?

그 전력은 약 1,400V로 일반 배터리 1000개 정도에 해당하며 모기를 통해 강한 전류를 흐르게 하는 동시에 근처 공기에 있는 원자에서 전자를 떨어뜨려 우리가 볼 수 있는 불꽃을 생성하기에 충분합니다.

특정 원자에 의해 특정 파장의 빛이 어떻게 방출되는지 궁금하신 경우: 이는 양자 역학을 학습해야만 이해할 수 있습니다. 따라서 관심이 있다면 물리학 과정을 수강하는 것을 고려해 보세요.

그리고 다음 번에 모기 때문에 괴로워하다가 전기 거품기를 사용하여 큰 성공을 거두게 된다면, 기억하세요: 당신은 혼자가 아닙니다. 양자물리학, 전자, 공중의 원자가 함께 모여 당신의 승리를 축하합니다.

Adhip Agarwala는 IIT Kanpur의 물리학 조교수입니다.