창의적 산출물 발표 대회 보고서전자기 유도 법칙을 이용한 에너지 발생 장치와 압전소자를 이용한 에너지 발생 장치 비교 및 활용 연구소 속 교영 역에너지 (물리)지도교사제 출 자목차Ⅰ. 연구동기Ⅱ. (기존 연구사례 또는 문헌 연구 결과)Ⅲ. 연구방법 및 과정Ⅳ. 연구결과 및 결론ⅴ.소감Ⅰ. 연구동기이번 실험을 하게 된 이유는 전자기 유도법칙이 우리 주변에서 전기 에너지를 생산할 때 주로 터빈을 회전시켜 에너지를 생산하는 것을 보고 전자기 유도를 좀 더 색다르게 압전 방식으로 전기를 생산해 보고 싶었고, 과연 압전소자보다 효율적일지에 대해 궁금증이 생겨 실험을 하게 되었다. 또한 뉴스에서 버려지는 에너지까지 모아 다시 쓰는 엘리베이터에 대한 기사를 접한 후 일상생활에서 에너지를 친환경적, 효율적으로 얻기 위한 방법을 고찰하고자 하였다.Ⅱ. (기존 연구사례 또는 문헌 연구 결과)에너지 하베스터는 주위에 산재해 있는 에너지를 획득하는 방식으로 생활환경으로부터 필요한 에너지를 생산할 수 있는 대표적인 무공해 에너지 시스템 중 하나이기 때문에 생산과정에서 기존의 화석연료나 석유를 개질하면서 기존의 녹지가 축소되거나 오히려 이산화탄소의 배출량이 늘어나는 연료전지나 바이오매스 등과 같은 무늬만 청정 대체에너지인 경우와는 다르게 자연 및 주변에너지를 환경오염 없이 그대로 활용할 수 있는 친환경 에너지 활용 기술이다. 최근 이 기술이 이슈가 되는 이유는 주변에서 수확할 수 있는 에너지 형태 및 환경과 이러한 에너지 하베스터 기술이 적용 가능한 다양한 휴대기기들의 등장에 따라 에너지 하베스터의 소재와 구조, 성능이 지속적으로 발전하고 있기 때문이다.Ⅲ. 연구방법 및 과정전자기 유도 법칙을 이용하여 힘이 가해지면 자석이 진동하여 전기를 생성하는 형태로 만든 장치와 압전소자에 힘이 가해졌을 때 생성되는 전류를 비교하여 효율성을 따져보고 일상생활에 적용할 방법을 고안한다.1. 압전소자 5개를 직류로 연결한 후 판자에 올려 동시에 힘을 받게 한다.2. 코일을 원통에 감고 그 속에 고무줄을 달은 네오디움 자석을 힘이 가해졌을 때 진동하게끔 설치한다.3. 동일한 힘을 받았을 때 생성되는 전류의 양을 검류계를 이용하여 측정하고 비교한다.4. 동일한 힘을 받았을 때 전구의 밝기를 비교한다.( 압전소자를 이용한 에너지 장치의 전구 밝기 ) (사진1-1)( 전자기 유도 법칙을 이용한 에너지 장치의 전구 밝기 )(사진1-2)5. 비교하여 더 효율적인 에너지 장치를 찾고, 일상생활에 어떻게활용할지 고안한다.Ⅳ. 연구결과 및 결론1회2회3회4회5회6회7회8회9회10회평균압전 소자2.81.23.42.01.93.02.71.82.62.32.47전자기 유도 방식3.92.93.83.12.33.41.92.82.93.23.02[ 같은 힘을 주었을 때 나타나는 전류의 세기 그래프 개형 ]그림(2-1)압전 소자( 전류가 힘을 가할 때만 잠깐 흐른다. )그림(2-2)전자기 유도 방식( 자석의 진동이 끝날 때까지 전류가 흐른다. )전구의 밝기압전 방식약하다.전자기 유도 방식세다.전구의 밝기로 보아 압전 소자를 이용한 에너지 발생 장치가 전자기 유도 법칙을 이용한 에너지 발생 장치에 비해 발생하는 에너지가 작다는 것을 알 수 있다.(그림2-3)큰 힘을 가했을 때압전 방식쉽게 부서진다.전자기 유도 방식전류의 세기가 힘의 세기에 비례한다.가해지는 힘에 한정되지 않고 전기 에너지를 생성할 수 있다.위의 결과로 보아 압전 소자를 이용한 에너지 발생 장치가 전자기 유도 법칙을 이용한 에너지 발생 장치에 비해 내구성이 약하다는 것을 알 수 있다.(그림2-4)정리1. 전자기 유도를 활용한 발판이 같은 비용에서 더 많은 전기 에너지를 생성 할 수 있다.2. 압전 소자에 비해 전자기 유도를 이용한 것이 내구성이 높다.실제로 실험한 결과 압전소자는 큰 충격을 받게 되면 쉽게 고장이 나지만. 전자기 유도를 이용한 에너지 발생 장치는 내구성이 좋아 큰 충격을 견딜 수 있었다.3. 전자기 유도를 이용한 방식은 가해지는 힘에 한정되지 않고 전기 에너지를 생성할 수 있다.결론적으로,전자기 유도 법칙을 이용한 에너지 발생 장치가 발생되는 에너지크기, 지속되는 시간 면에서 압전 소자를 이용한 에너지 발생 장치에 비해 더 효율적일뿐만 아니라 내구성 역시 압전소자에 비해서 전자기 유도를 이용한 에너지 발생 장치가 좋다.전자기 유도 에너지발생장치의 일상생활 적용 예1. 학생들이 많이 다니는 장소를( 학교 정문이나 급식실 앞 등) 선정하여 발판을 설치한다.학생들이 많이 지나다니는 곳에 전자기 유도를 이용한 압전 발판을 설치하여 낮에는 발전을 위주로 하고 밤에는 어두운 학교를 밝혀주는 데 도움이 되도록 한다. 우리 학교는 주변이 밝은 도시가 아니기에 밤에 학교 후문은 매우 어두워 무서운데 낮에 발전한 전기를 이용하면 밤에 쓰는 전기 에너지 부담을 줄일 수 있다.2. 체육관 바닥에 설치한다전자기 유도 압전 장치는 압전소자에 비해서 내구성이 높아 큰 충격에 부담이 적다.따라서 사람들의 활동량도 많고 가해지는 힘도 큰 체육관 바닥에 설치하면 다른 평범한 인도에 설치하는 것보다 많으면 수 십배 만큼 많은 양의 전기 에너지를 생산할 수 있을 것이다.3. 차가 많이 지나다니는 길에 설치하여 가로등 전기에 보탠다.차가 많이 지나다니는 길에(사거리 등등) 전자기 유도 법칙을 이용한 에너지 발생장치를 설치하여 가로등이 전기를 보탤 수 있도록 한다. 특히 가평은 가로등이 부족한 편이기 때문에 야자가 끝난 후 하굣길은 안전해야하니 가로등을 더 많이 설치한 후 전자기 유도 발생 장치에서 만들어낸 전기를 보내어 학생들의 안전한 하교에 도움이 될 수 있도록 한다.이번 실험의 한계 점1. 정확하게 동일한 힘을 가함에 어려움이 있었다.정확한 실험을 하기 위해서는 동일한 힘을 가했어야 하는데, 힘을 가하는 기계가 없어 손으로 쳤기 때문에 약간의 오차가 생겼을 수도 있다.2. 그래프를 그리는데 어려움이 있었다.검류계가 디지털 신호로 나타나서 이것만으로는 연속적인 그래프를 자세하게 그리는 데 약간의 어려움이 있었다.3. 변인 통제에 대한 어려움이 있었다.코일 속 자석을 매달고 있는 고무줄의 탄성력이 시간이 지날수록 작아져서 고무줄 대신 다른 것으로 대체하려고 했지만 용수철과 같은 강자성체나 상자성물질은 자석과 반응하여 적절한 대체물을 찾지 못했다.압전소자도 마찬가지로 실험을 여러 번 함으로써 압전소자가 조금씩 손상되어 동일한 실험 조건을 만들어 주는 데에 약간의 어려움이 있었다.4. 압전 발판을 만드는 데 약간의 미숙함이 있었다.압전 발판을 만들 때 다섯 개의 발판의 동일한 힘이 가해지게끔 만드는 것이 가장 효율적인데 이것을 만족시키게끔 발판을 만들지 못하였다.결론:이번 실험을 하게 된 이유는 전자기 유도법칙이 우리 주변에서 전기 에너지를 생산할 때 주로 터빈을 회전시켜 에너지를 생산하는 것을 보고 전자기 유도를 좀 더 색다르게 압전 방식으로 전기를 생산해 보고 싶었고, 과연 압전소자보다 효율적일지에 대해 궁금증이 생겨 실험을 하게 되었다.따라서 이번 실험은 전자기 유도를 이용한 압전 방식 장치 중 어느 것이 여러 면에서 효율적인지 압전에 가장 효율적인 발판을 만들어 실험을 통해 따져보게 되었고, 결과를 도출해 일상 우리 주변에서 어떤 방식으로 사용되면 좋을지 생각해보는 것을 마지막 과정으로 하게 되었다.먼저 발판 실험을 하기 전에 같은 재료 비용에서 압전소자를 이용한 압전 방식과 코일과 자석을 이용한 전자기 유도 중 어떤 것이 과연 더 전류를 많이 생산해 낼까? 에 대해 추측을 해보았다. 우리의 추측은 압전소자를 이용한 것이 이름도 압전소자인 만큼 생성전압의 순간 최대치는 전자기 유도를 이용한 것보다 클 것 이라고 추측하였고, 대신 전자기 유도를 이용한 방식은 자석에 고무줄을 매달았기 때문에 압전소자 보다 긴 시간 동안 전기 에너지를 생산해서 총 생산 전기 에너지 양은 비슷할 것이라고 추측했다. 하지만 실험 결과는 놀랍게도 전자기 유도 압전 장치의 순간 최대 생성 전압이 평균적으로 압전방식보다 높았고,전기 에너지가 생성되는 시간도 전자기 유도 압전 장치가 압전소자보다 전기 에너지를 오랫동안 만들었다. 다시 말하자면 압전소자를 이용한 압전 방식은 한번의 힘을 가했을 때 순간의 에너지를 생성하는 방면(그림2-1), 전자기 유도 방식 장치는 지속적으로 전력 생성의 순간 최대치가 높을 뿐만 아니라 오랫동안(그림2-2) 생산하기 때문에 전류량의 총 합은 전자기 유도가 더 많이 생산 되는 것으로 결과가 나왔다. 뿐만 아니라 (그림1-1)과 (그림1-2)의 전구의 밝기로 보아 압전 소자를 이용한 에너지 발생 장치가 전자기 유도 법칙을 이용한 에너지 발생 장치에 비해 발생하는 에너지가 작다는 것을 알 수 있다.또한, 실험을 하면서 알게 된 사실은 (그림2-4) 와 같이 압전 소자를 이용한 에너지 발생 장치가 전자기 유도 법칙을 이용한 에너지 발생 장치에 비해 내구성이 약하다는 것을 알 수 있다.
