줄의 법칙에 대한 토막 상식

안녕하세요?

우리가 한번은 들어 보았던 적이 있었는 이 '줄의 법칙'이라는 것은 간단하게 정의를 하자면, 전자 기기를 사용하면 '열'이 발생을 한다 라고 볼 수 있습니다. 물론 중고등학교의 시험에서 좋은 점수를 받기 위해서는 그냥 외우기만 했는 이 법칙을 이번 포스팅에서는 간단하지만, 좀 더 자세히 알아보겠습니다.

먼저 아시는 분은 아시리라 생각이 되는데, 이 줄의 법칙에서 '줄(Joule)'이 의미하는 것은 19세기 영국의 물리학자인 '제임스 프레스콧 줄'의 이름에서 따온 것이며, 이 사람은 특이하게도 16살 때, 유명한 화학자인 '돌턴'밑에서 공부한 것을 빼고는 독학을 하였다고 합니다.

다시 줄의 법칙으로 돌아와서, 줄은 물에 담근 도선에 전류를 흘려 보내서 '전류와 열량의 관계'를 도출해 내는데 성공했습니다. 이 결과는 1840년에 논문으로 출판이 되었으며, 지금에 와서 줄의 법칙이라는 것은 아래의 공식으로 매우 잘 정리가 되어서 알려져 있습니다.

위 공식은 줄이 '니크로뮴선(니크롬선)'이라고 해서, 니켈(Ni)과 크로뮴(크롬, Cr)의 합금으로 만들어진 선에다가 전류를 흘려 주어서 구했는데, 여기서 왜 이 니크롬선이 사용이 되었는가 하면, 이 합금은 저항이 커서 전류가 흐르기 아주 어렵고, 그래서 전기 난로의 우리가 흔이 보는 붉은색 열선이 이 니크롬선 입니다.

그럼 여기서 왜 '저항'과 '전류'가 '열'로 바뀌는 것인가를 물으실 건데, 먼저 '전류가 흐른다'는 것은 '전자가 이동'을 한다는 것을 의미하게 됩니다. 이런 상황에서 니크롬선 안이 금속이라고 해서 전자가 자유롭게 이동을 하는 것이 아니라, 금속 원자와 충돌을 일으키게 됩니다.

그렇게 충돌이 일어나게 되면 전자는 잠시 방향이 바뀌게 되면서, 이 전자가 가지고 있던 운동 에너지가 금속 원자에 흡수가 되고, 그에 따라서 금속 원자가 원래도 '진동'을 하고는 있지만, 그 진동이 더 격렬해지면서 '열 에너지' 형태로 발산하게 되는 것 입니다. 왜냐하면 금속 원자도 언제까지 계속해서 더 격렬한 진동을 할 수 없고 안정한 상태로 돌아가려고 하는데, 그렇게 격렬하던 진동이 덜 격렬해지면서 나오는 에너지의 차이가 '열'로 방출되게 되는 것 입니다.

위 그림의 모식도는 제임스 줄이 줄의 법칙을 구하기 위해 실험하였는 장치의 모식도입니다. 실제로 간단한 전원 공급 장치에 저항이 큰 금속을 물에 담궈서 수온이 얼마나 올라가는 지를 온도계로 측정하는 실험이었지만.. 저기서 그 줄의 법칙이 되는 공식을 유추하기 위해서는 수 많은 시행착오를 반복하면서 만들어 졌으리라 생각이 됩니다.