전구, 텔레비전, 냉장고, 전자레인지, 컴퓨터……
우리가 흔히 사용하는 물건들에서 찾는 물리학 원리

왜 백열전구의 필라멘트가 빛을 내고, 어떻게 석영 결정으로 초 단위의 시간을 측정하며, LCD 모니터는 무엇으로 이루어져 있을까? 하드디스크 속에 기록되어 있는 데이터는 어떤 효과를 기반으로 판독할 수 있을까(2007년 알베르 페르는 이 효과를 발견한 공로로 노벨물리학상을 받았다)? 위성항법장치(GPS)의 비밀은? 그 밖에 일상에서 늘 접하지만 대개 그 물리학 원리를 알지 못하는 각종 물건들은 어떻게 작동할까?
우리가 일상에서 접하는 갖가지 물건은 일정한 형태를 갖추고 있으며 만져볼 수 있고 친숙하다. 하지만 매일 그런 물건을 이용하다 보니 우리는 더 이상 그것들을 눈여겨보지 않는다. 그렇더라도 그것들은 대개 알려지지 않은 원리에 따라 작동한다. 한편으로 물리학은 개념에 관한 학문으로서 형식적이며 우리에게 많은 걱정거리를 안겨준다. 수학적인 도구와 방정식이 넘쳐나는데 구체적인 예를 제시하는 경우가 드물기 때문이다.
어떻게 하면 물질세계와 추상적인 개념을 연결하여 초보자들이 물리학의 세계에 관심을 갖게 해줄 수 있을까? 이것이 바로 이 책의 목표이다.
그리하여 이 책은 종합적인 설명에다가 사례를 보여주는 많은 삽화, 물리학 지식을 심화시켜주는 ‘상자글’, 지극히 추상적인 갖가지 현상을 파악하게 해주는 ‘유추해봅시다’, 그리고 호기심을 충족시켜주는 ‘궁금한 질문들’ 등을 곁들여 다채롭고 알차게 구성했다. 게다가 물리학의 아름다운 매력에 경의를 표하며, 이른바 ‘교양 물리’의 토양을 마련해주고 점점 더 정교해지는 우리 주변의 세상을 나름대로 조사하는 데 도움이 되는 모든 열쇠를 제시해준다.
여러 층위의 읽을거리를 제공하는 이 책을 통해 우리는 저마다 관심 분야를 찾아내게 될 것이다.

책의 내용

1장: 백열전구
일반 전구는 백열 현상을 기반으로 한다. 일정한 한 재료가 상당히 높은 온도에 이르게 되면, 백색광이 만들어지는 것이다.
백열전구의 구성요소

백열전구는 크게 필라멘트, 유리구, 비활성기체로 이루어져 있다.
초기 전구는 탄소 필라멘트에 전류를 통하게 했는데, 20세기 초에 탄소가 텅스텐으로 대체되었다. 텅스텐이라는 금속은 특별히 부식에 잘 견디며, 아주 흥미로운 속성을 갖고 있다. 특히 녹는점(섭씨 3422도)이 상당히 높아서, 텅스텐 필라멘트는 태양 바깥층의 온도에 근접하는 섭씨 2200~2500도에 이를 수 있다. 유리로 된 구형의 외피가 필라멘트를 보호하며, 특히 산소를 차단해준다. 비활성기체는 두 가지 구실을 하는데, 한편으로 비활성이기 때문에 화학 반응으로 텅스텐 원자들과 결합하지 않아서 필라멘트의 연소를 막으며, 다른 한편으로는 전구의 수명을 위협하는 현상인 텅스텐의 승화 작용을 억제한다.

4장: 컬러텔레비전
컬러 음극선관 텔레비전 화면의 원리는 우리 눈이 색상을 인식하는 방식에서 영감을 받은 것이다. 사실 우리 망막에 이르는 영상들은 그 형태 때문에 이른바 추상체로 일컬어지는 작은 수용기 수백 개에 의해 분석된다. 이 추상체는 세 종류가 있는데 제각기 어떤 한 색상, 즉 빨강?초록?파랑에 더 민감하다.
이 세 종류의 추상체가 뇌에 전달하는 정보는 시신경을 거쳐 재집결된다. 그렇게 해서, 예를 들어 초록과 빨강이 혼합되면 노랑이 되는 것과 동일한 방식으로 추상체가 자극을 받는다. 따라서 이렇게 세 종류의 추상체가 자극되어 색상을 보는 과정 덕분에, 우리 눈은 삼원색으로 배합할 수 있는 모든 색에 민감한 것이다.
컬러 음극선관 텔레비전의 구성요소
그렇다면 컬러텔레비전 수상기에는 무엇이 들어 있을까?
수상기의 핵심은 한 유리관으로, 그 관의 내부는 진공 상태이다. 모니터의 안쪽 부분은 인광면으로 되어 있으며, 관의 기저에는 세 개의 전자빔을 만들어내는 전자총이 자리하고 있다. 진공 상태는 공기의 전자가 질소(N2) 및 산소(O2) 분자와 충돌하는 것을 최소화하는데, 만약 충돌하면 전자빔이 교란된다. 관은 유도 코일과 집속 코일로 둘러싸여 있다.
전자총: 먼저 수상기 끄트머리에 전자총이 있으며, 전자총에는 제각기 전자를 내보내는 음극이 들어 있다. 흑백텔레비전에는 전자총 하나만으로 충분하지만, 컬러로 표시하는 데 필요한 전자빔을 만들기 위해서는 세 개의 전자총이 있어야 한다.
코일: 전자들은 화면상에 도달하기 전에 연속으로 두 가지 유형의 코일(전자석)을 통과한다. 집적 코일이 전자빔을 정련하고, 그 다음에는 유도 코일이 매순간 전자들이 화면에 충격하는 점을 선별한다.
화면: 모니터의 광점은 저마다 세 가지 기본색, 즉 빨강?초록?파랑 등 세 개의 서브픽셀로 이루어져 있다. 세 전자빔이 제각기 적정한 색상의 서브픽셀에 도달할 수 있도록 아주 작은 동글동글한 구멍(‘섀도마스크’)이 배열되어 있는데, 이 구멍들이 화면의 모든 빛나는 점들이다.

여러 선분으로 구성되어 있는 액정 표시 장치.
10장: 액정 화면
액정은 결정과 액체 상태의 중간에 위치한 물질 상태다. 일반적으로 물질은 세 가지 상태, 즉 고체?액체?기체 상태로 존재한다. 1888년 오스트리아의 식물학자 프리드리히 라이니처는 벤조산콜레스테린에서 이상야릇한 한 효과를 발견하고는 독일의 결정학자 오토 레만의 지원을 받아 일부 화합물에서는 물질의 네 번째 상태, 즉 액정이 존재한다는 사실을 명확히 밝혀냈다.
액정 분자들은 늘 작은 막대 형태를 띤다. 하나의 셀에서 교묘하게 분자들의 방향을 설정하면, 그 분자들은 빛과 상호작용을 하고 빛의 편광 방향을 변화시킬 수 있다. 그렇게 해서 교차되어 있는 두 편광자 사이에 샌드위치 상태로 놓인 액정셀은 전압이 전혀 가해지지 않으면 빛을 투과하고, 전압이 가해지면 그 빛을 차단한다. 이런 광학 차단 장치가 액정 모니터 픽셀의 기본 벽돌이다.

11장: 하드디스크
1956년 IBM이 선보인 RAMAC.
컴퓨터의 주요 기관 가운데 하나가 하드디스크이다. 하드디스크는 데이터를 저장하고 전원이 차단되면 보관하는 구실을 한다. 오늘날 하드디스크가 컴퓨터 속에 들어 있는 것은 당연해 보인다. 그렇지만 20여 년 전만 해도 그런 일은 도저히 생각조차 할 수 없는 일이었다.
최초의 하드디스크는 1956년 IBM이 선보인 RAMAC으로 용량은 5메가바이트였다. 크기가 노르망디 산 장롱만 하고 무게가 1톤 이상이 나가는 데다 매우 비쌌지만 상업적으로 꽤 성공을 거두었다. 이후 엄청난 변화를 겪어 대용량, 소형화에 가격까지 저렴해졌다.
하드디스크는 일련의 플래터로 구성되어 있으며, 이 플래터는 이진수 형태로 데이터를 저장하는 강자성막으로 덮여 있다. 기록 헤드는 전류가 지나가는 소형 코일로, 제각기 전류의 방향에 따라 한 플래터의 지대들을 한쪽 방향 또는 다른 쪽 방향으로 자화시킨다. 데이터의 판독은 판독 헤드 속에 있는 회로의 저항 변화에 기반을 두고 있는데, 스캐닝하는 지대의 자화 방향이 바뀜으로써 그런 저항이 변화하는 것이다.

서문
감사의 글

01 백열전구
02 방전전구와 형광관
03 석영시계
04 텔레비전
05 냉장고
06 연기 감지기
07 전자레인지
08 전기레인지
09 콤팩트디스크
10 액정화면
11 하드디스크
12 복사기
13 위성항법장치
14 초음파 검사
15 X선 스캐너
16 원자로

참고문헌
사진 저작권
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서문
감사의 글

01 백열전구
02 방전전구와 형광관
03 석영시계
04 텔레비전
05 냉장고
06 연기 감지기
07 전자레인지
08 전기레인지
09 콤팩트디스크
10 액정화면
11 하드디스크
12 복사기
13 위성항법장치
14 초음파 검사
15 X선 스캐너
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