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동전으로 불을 켜다(교사용)
작성일 2003-02-23 (일) 22:15
분 류 8학년
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동전으로 불을 켜다(교사용)

동전으로 불을 켜다(교사용)

  전기는 우리 주변에서 항상 쓰이는 것이지만, 전기를 이용하는 제품들은 대부분 그 구조나 원리가 복잡하여 학교에서 배운 지식만으로는 이해할 수 없는 것들이 많다. 그렇기 때문에 전기는 우리 생활에 기여하는 정도에 비해서는 비교적 친밀감을 덜 한 편이다. 따라서 본 실험에서는 동전, 키친 타올, 알루미늄 호일 등 여학생들이 주변에서 쉽게 구할 수 있는 재료들로 전지를 만들고 전지를 직렬로 연결했을 때 전압이 어떻게 변화하는지 관찰한다. 이 실험을 할 때는 전지의 연결방법과 전압 사이의 관계에 대한 사전 지식을 갖추고 있어야 스스로 실험 방법을 고안할 수 있다. 주변에서 쉽게 구할 수 있는 재료들로 전지를 만드는 과정을 통해 전기에 대해 좀 더 친밀감을 느끼게 될 것으로 기대한다.

- 주변에 있는 생활 용품으로 전지를 만들어 불을 켤 수 있다.
- 원하는 전압을 얻을 수 있도록 전지가 직렬 또는 병렬로 구성된 회로도를 작성하고 직접 실험으로 확인해 볼 수 있다.

1. 수업의 진행과 시간 배정 : 45 분 수업

가) 도입: 5분

- 주변에서 전지가 쓰이는 전자제품에는 어떤 것이 있는지 찾는다(Experience).

- 전지에는 어떤 것들이 있는지 생각해 보자.
*  전지의 종류를 간략하게 설명한다.
1차 전지(충전 불가능): 볼타 전지, 건전지, 알카라인 전지, 수은 전지
2차 전지(충전 가능): 다니엘 전지, 납 축전지

나) 탐구 실험 1 : 10분

- 동전 전지 만들기

* 동전 전지 하나를 만들어 보고 전압을 측정해 본다.
* 동전 전지와 발광 다이오드, 전압계로 구성된 회로를 구성해보고 실험으로 확인한다.(Exciting)

다) 탐구 실험 2 .: 20분

- 발광다이오드의 불빛을 밝게 하기 위해 전지를 어떻게 연결할 것인지 모둠원끼리 의논하여 결정한다.(Environment)
* 전지의 직렬과 병렬 연결로 인해 회로의 전체 전압이 어떻게  달라지는지에 대한 사전 토의 후 실험을 한다.
* 시행착오를 허용하는 분위기를 조성하여 여러 번의 교정을 통해 옳은 연결법을 찾는다.(Environment)

- 전지를 직렬로 연결했을 때 전압이 어떻게 변화하는지 실험을 통해 알아낸다.
* 전지 1, 2, 3, 4, 5개를 회로에 연결하면서 전압을 측정하여 표와 그래프에 기록한다.
* 위의 결과를 이용하여 전지가 직렬로 연결 될 때 전압이 어떻게 변화하는지 결론을 내린다.

라) 결과에 대한 토의 및 정리 : 10분

- 모둠원끼리 토의하여 생각 모으기의 질문에 답한다.
- 읽을거리를 읽고 시사점에 대해 토의한다.

2. 지도상의 유의점

- 만약 실험이 잘 되지 않는다면 ?
  * 전압이 잘 나오지 않는 경우

- 실험기구들 사이에 빈틈이 생기면 그렇다. 이런 경우 간단히  손가락으로 실험 기구들을 눌러서 기구들 사이에 틈이 생기지  않도록 하거나 아예 테이프로 꼭 붙인다.

- 분극 작용이 일어나기 때문에 전압계에 연결한 뒤 한참 실험  하다 보면 구리 동전 표면에 분극작용으로 인한 수소가 발생하여 거품이 생기며 이 거품으로 인해 동전과 키친타월 사이가 벌어지는 경우가 있는데  이런 경우도 손가락으로 눌러 거품을 제거하고  분극 작용을 줄이고 싶은 경우 소금물에 과산화수소를 감극제로 넣어주면 어느 정도 해결할 수 있다.

- 직렬 연결시 전압이 낮게 나오는 경우는 실험 기구들을 겹치게 구성하여 역전압이 형성되면 직렬연결시 오히려 전압이 낮아지는 경우가 생긴다. 또한 회로 전체가 다량의 소금물로 젖은 경우 역시 역전압이 형성된다.

- 회로를 구성 할 때에는 집게 도선 대신 양끝을 벗겨낸 에나멜선을 호일이나 동전에 붙여서 사용해도 된다.

- 직렬 연결시에는 다음과 같은 방법으로 동전 전지를 연결한다.

- 발광다이오드 대신에 멜로디 카드에 있는 멜로디를 이용할 수도 있는데 보통의 경우 멜로디는 약 1.2V 이상이면 들린다.

평가 기준

평가척도

평가

동전으로 화학 전지를 만들어  다이오드의 불을 켤 수 있다.

전지를 직렬로 연결하여 다이오드의 불이 환하게 켜졌다.

A

전지를 직렬로 연결하였으나 불이 켜지지 않았다.

B

전지를 병렬로 연결하지 않았다.

C

① '어떻게 할까'

- 동전 전지 하나의 전압 : 약  0.57V
- 최소 4개의 동전 전지가 있어야 발광 다이오드를 켤 수 있다.
- 기호를 사용하여 회로도를 작성하며 전압계는 병렬로 연결한다.
 - 전지는 직렬로 연결하여야 한다.

<실험 결과>

전지수

 전압(V)

1

0.57

2

0.9

3

1.3

4

1.6

5

1.9

6

2.35

② '생각 모으기'
 1. 좀 더 불빛을 원한다면 나머지 동전 전지들을 모두 직렬로 연결하여야 한다.

③ '한 걸음더'
- 가전 제품을 직렬로 연결하면 전압이 커져서 위험하며, 하나의  전원을 끄면 다음 전자 제품들도 모두 꺼진다.

④ 실험의 원리
1. 알루미늄전극에서 산화반응이 일어나며, 전지의 음극이 된다.
      (-) 극 :  Al  →  Al3+ +  3e  (산화) E0= 1.68V
2. (+)극인 구리 전극에서 구리는 반응에 직접 참여하지 않고 전극의 역할만을 해준다.
3. (+)극에서 일어나는 반응은 다음과 같다.
      (+) 극 :  H+  +  2e-  →  H2  (환원) E0 =0.00V
4. 따라서 이 전지 한 개의 전압은 1.68V이다. (그러나 실제 실험에서는 전압이 저항과 전해질, 분극작용의 영향, 접촉면의 성질로 인해서 약 0.6V 정도로 나타난다.)
5. 시간이 지남에 따라서 전압은 약해진다. (+)극에서 생성되는  H2 때문에 일어나는 분극현상이 그 이유이다. 분극 현상을 줄이기 위해서는 과산화수소와 같이 손쉽게 구할 수 있는 산화제를 감극제로 넣어 생성되는 수소기체를  줄일 수 있다.
          H2O2 + 2H3O+ + 2e- → 4H2O
- 회로를 연결한 뒤 너무 오래 방치하지 않는 것이 좋다.

⑤ 참고
1. 전지는 자발적으로 일어나는 산화, 환원 반응을 이용하여 화학에너지를 전기에너지로 바꾸는 장치라고 할 수 있다. 산화가 일어나는 쪽을 (-)극, 환원이 일어나는 쪽을 (+)극으로 정한다.  예) Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s)   전위차 = 1.10V
이 때 아연에서 구리로 전자가 직접 이동하지 않고 외부 도선을 통해 이동하도록 되어 있다.
   전지는 사용 후 버리는 1차 전지와 사용 후 다시 충전하여 사용하는 2차 전지로 나눌 수 있다. 1차 전지에는 볼타전지, 건전지, 알칼라인건전지, 수은전지 등이 있으며 2차 전지에는 다니엘 전지, 납 축전지 등이 있다.

2.이온화 경향

    K-Na-Mg-Al-Zn-Fe-Sn-Pb-(H)-Cu-Ag-Au

⑥ 읽을거리에 대한 보충

허서 에어튼(Hertha Marks Ayrton)

참고자료- 1

1854년 출생 - 1923년 사망
1876-81 Giton College, 캠브리지 대학
1899년 여성 최초로  전기 공학자협회 회원이 됨

참고자료- 2

  그녀는 주로 '아크 전등'에 대하여 많은 연구했다. 이 전등은 다른 전기회로와 달리 옴의 법칙이 적용되지 않는 이상한 현상이 발견되었는데 에어튼은 오랜 시간과 노력을 요하는 실험을 면밀한 관창을 기반으로 꾸준히 수행했고 결국 아크전등은 '음의 저항'을 가진다는 것을 처음으로 밝혀냈다. 아크 전등에 대한 그녀의  연구는 그녀를 이 분야의 독보적인 존재로 만들었으며, 이 연구 결과로 인해 1899 전기 공학자 협의회의 회원으로 선출되었다. 당시 3300명의 회원 중 여성을 그녀가 처음이었다. 당시 전기공학을 연구하거나 엔지니어로 일하는 여자는 전무했고 한 여성 사업가는 남장을 하고 남성인 척하면서 엔지니어들과 어울려야 했던 시절이었다. 실제로 1923년 그녀가 사망할 때까지 허서 에어튼은 전기 공학자협회의 유일한 여성회원이었다.

참고자료 - 3

Contributions of 20th Centery Women to Physics

허서 에어튼(Hertha Marks Ayrton)

1902년 영국왕립학회의 회원 임명 위원회는 한 회원의 가입 여부를 놓고 깊은 고민에 잠겨있었다. 1660년 왕립협회가 설립된 지 242년만에 처음으로 회원에 추천된 여성 엔지니어 겸 과학자 허서 에어이 바로 그 장본인이었다.  왕립학회의 회원은 너무도 당연히 남자에 한정되어야 한다고 생각하고 있던 위원회는 결국 그녀가 '결혼한 여인이라는 이유를 들어 선출을 부결했다. (당시에는 결혼한 여성의 개인으로서의 귄리는 남편에게 있다는 민법이 있었다) 결혼은 허서 에어튼에게 이중적인 의미를 가진 것이었다. 여성이 재능을 발휘할 수 없는 당시 사회구조 속에서 재능있는 여성들은 결혼이라는 출구를 통해 남편의 명성과 영향력을 이용, 제한된 범위에서나마 자신의 능력을 발휘하곤 했다. 허서 에어튼도 월리엄 에어튼이라는 저명한 과학자와의 결혼을 통해 자신의 과학자로서의 발판을 만들 수 있었다. 그렇지만 이렇게 결혼을 통한 능력의 발휘에는 명백한 사회적인 한계가 있었다. 동료 남성 과학자들과 대중은 여성의 업적을 그녀 남편의 업적으로 간주했으며, 특히 에어튼의 경우 결혼했다는 사실이 왕립학회 회원이라는 과학자로서 큰 명예를 얻는데 결정적인 장애요인이었다.
  허서 에어튼이 전기공학자이자 과학자로서 성공할 수 있었던 데에는 무엇보다도 어머니 테레사막스의 역할이 컸다. 테레사막스는 "여자는 이 세상을 살면서 남자보다 더 힘든 싸움을 해야 하기 때문에, 더 많이 배워야 한다"는 생활신조로 아버지 없는 어려운 집안 사정에도 불구하고 딸에게 집안일 대신 수학 ,기하, 언어, 과학을 배울 기회를 열어줌으로써 에어튼이 과학자로서 성공할 수 있었던 가장 큰 밑거름이 되었다.
  그녀는 여성 참정권 운동에도 매우 헌신적이었다. 1910년 수상관저 앞의 시위에서 에어튼과 그녀의 딸 바버러는 열심히 싸웠으며 결국 바버러는 투옥되었다. (바버러 에어튼은 이후 노동당의 국회의원을 역임했다.) 에어튼은 이 딸을 두고 '무척 자랑스럽다'고 얘기하곤 했다. 수학과 같은 자연과학보다도 더 남성들의 고유 영역이라고 간주되었던 전기 공학 분야에서 선구적인 업적을 남긴 여성 엔지니어로서, 여성들의 교육과 정치적 평등을 위해 싸운 여권 운동가로서 에어튼은 이후 과학과 공학을 전공하는 여성들의 귀감이 되었다.

   
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