리히텐베르크의 방전도형 만들기

[위 그림설명] 1. 윔스허스트 장치, 2. 금속 침, 3. 토너, 4. 아크릴 표면
토너 가루를 아크릴판 표면에 뿌리면 정전기에 의해 만들어진 방전 패턴이 드러난다. 이것은 복사기 드럼에 단어나 이미지가 정전기로 기록되는 것과 같다.

Do-it-yourself lightning

리히텐베르크 도형 만들기

1777년 리히텐베르크가 했던 것처럼 미세한 분말로 리히텐베르크 도형을 만들어보자

1.날카로운 금속 침 끝이 얇은 아크릴판의 중심에 닿도록 한다. [리히텐베르크는 나무의 수액에서 채취한 송진을 사용했다; 오늘날에는 투명한 아크릴판을 주로 사용한다.]

2.위에서 보이는 윔스허스트 장치인 밴 더 그래프 발전기를 이용하거나 낡은 카펫을 강하게 끌어 정전기를 발생시킨 다음 손가락이나 이 장치의 전극을 금속 핀 끝에 방전시킨다. 이렇게 하면 아크릴판에 전하 패턴이 나타난다. 리히텐베르크 도형이 형성되는 것이다. 하지만 그냥은 보이지 않는다. 

3.아크릴판 표면 위의 복사기 토너를 불어낸다. 토너 가루가 정전기에 들러붙어 아름다운 리히텐베르크 도형을 드러낸다. 리히텐베르크의 발견은 복사기와 레이저 프린터의 발명으로 이어졌다. 이 두 기기는 전하가 단어와 이미지 패턴들로 기록된다.

주의 집에서 이 실험을 할 경우 적절한 실험 안전절차와 장비를 이용해야 한다. 테어도어 그레이의 다른 과학실험 내용들을 보려면 periodictabletable.com 참조.

못으로 두드려 형성되고 있는 리히텐베르크 도형. 수백 나노초 만에 아크릴 블록에 갇힌 전자들이 밝은 가지 모양의 스파크를 일으키며 순식간에 빠져나간다. 그 결과 발생한 모양은 ‘testamania.com’에서 구입할 수 있다

오하이오 주의 뉴튼 폭포 주변에는 아만파 신도들의 1인승 마차 탑승장을 갖춘 월마트나 헬리콥터와 탱크들이 언덕 위에 줄지어 정렬된 군 기지 같이 특이한 볼거리가 많다. 하지만 필자(테어도어 그레이)가 이곳을 찾은 것은 이 지역에서 가장 특이한 다이나미트론을 보기 위해서다. 즉 냉동 번개를 만들기 위해 온 것이다. 켄트 스테이트의 네오 빔 시설에 있는 다이나미트론은 4층 높이에 진공관 TV처럼 생긴 500만 볼트짜리 입자가속기다. 

사실 진공관 TV는 집안에 있는 입자가속기다. 다이나미트론과 진공관 TV는 둘 다 높은 전압과 자석을 이용해 전자를 표적에 충돌시킨다. 진공관 TV에서 표적은 형광 스크린이지만 다이나미트론에서는 빔으로 경화된 플라스틱 배관 부속품들이다. 

필자가 은퇴한 전기공학자 버트 힉맨, 물리학자 빌 헤더웨이 및 킴 고인스 팀에 합류한 것은 투명한 아크릴 블록 안에 번개 모양, 즉 리히텐베르크 도형(Lichtenberg's figure)을 만들기 위해서다.그날 실험을 위해 빌린 다이나미트론을 300만 볼트 정도로 조정하자 1.2cm 두께의 아크릴판 사이에 전자들을 방출했다. 아크릴판은 매우 훌륭한 절연체이기 때문에 전자들을 내부에 가두어 둔다. 입자가속기에서 꺼낼 때 아크릴 블록은 별로 달라진 게 없어 보였지만 여기에는 필사적으로 빠져나가려는 전자들이 말 벌집에 갇힌 듯 들어 있었다. 

그대로 놔두면 전자들이 여러 시간동안 그대로 갇혀 있지만 못 같이 뾰족한 것의 끝으로 치면 통로가 형성되며 재빨리 빠져나간다. 전자들이 블록 전체에서 모여 들어 빠져 나가는 지점을 향해 점점 더 큰 흐름을 형성한다. 전하가 빠져나가면서 열이 발생해 전자들이 지나간 경로를 따라 손상을 입혀 영구적인 흔적이 형성된다. 만약 번개가 치기 전에 천둥 구름 속을 잠깐이라도 볼 수 있다면 이와 같은 패턴을 보게 될 것이다. 

천둥은 한순간에 갑작스럽게 형성되는게 아니라 구름 전체에서 전하를 모아야 한다. 복사기나 프린터의 토너 가루를 이용해 이와 유사한 리히텐베르크 도형을 만들 수 있지만 지속성은 다소 떨어진다[오른쪽의 리히텐베르크 도형 만들기 참조]. 

이것은 18세기 후반 독일 과학자 게오르그 크리스토프 리히텐베르크가 황가루를 사용해 실험한 방식이다. 그 당시 이 실험은 전기의 역사에서 위대한 발견이었다. 오늘날 이 도형은 전하를 이해하는데 좋은 방법이고 엄청난 고가의 장비로 오후 동안 실험한 결과 만들어진 멋진 기념품이었다.