📻 전구에서 진공관을 ... (2)

지난번에는 에디슨 효과에 대해 알아 보았습니다.
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전구에서 진공관을 ... (1)

 

비교적 간단한 실험 장치로 인류역사상 가장 중요한 발견중 하나를 해 내었습니다. 그러나 1883년 이것을 발견한 에디슨은 자신이 무엇을 하였는지 알지 못했습니다. 그는 발명가였지 물리학자는 아니었기 때문입니다. 그가 발견한 현상은 지금도 끊임 없이 연구되고 있는 "전자" 에 의한 것이었습니다. 
1884년 런던대학교에 입학하여 영국 최초의 전기 기술 학과 교수로 임명된  존 앰브로즈 플레밍이란 사람이 있었습니다.

플레밍은 물리학자이자 전기공학자였는데 우리는 "플레이밍의 오른손/왼손법칙"으로 잘 기억하고 있습니다.
그는 런던의 토머스 에디슨 회사에서 컨설턴트로 일을 했었는데 "에디슨효과" 에 관심이 있었고 직접 실험을 재현을 하기도 했습니다. 그가 왜 "에디슨효과"에 관심을 가졌고 진공관을 발명하게 되었는지 설명하기전에 직류와 교류에 대해서 먼저 설명을 하겠습니다.
 
우리 주변에서 쉽게 볼 수 있는 직류와 교류는 건전지와 가정의 벽에 있는 콘센트에서 뽑아쓰는 전기입니다. 어떤 것이 직류인지는 알겠지요? 바로 건전지입니다. +, - 가 명확하게 적혀 있습니다. 교류는 당연히 콘센트의 가정용 전기입니다.
둘다 2가닥의 전선을 전기제품에 연결하면 전기제품이 전기에너지로 동작하게 됩니다.

그런데 직류는 2가닥 충 하나는 + 이고 하나는 -의 극을 가집니다. 전류는 +에서 - 로 흐른다고 정의하기 때문에 직류가 흐르는 전선속 전류의 방향은 항상 한방향으로 일정합니다. 그래서 곧을 직(直) 과 흐를 류(流), 직류라고 합니다. 영어로는 Direct current 로 의미는 같고 약자로 DC라고 합니다.

교류는 2가닥이 + 또는 -로 정해진 것이 아니고 계속 바뀝니다. 가정용 전기는 1초에 60번이나 바뀝니다( 60Hz). 전류가 이리 흘렀다 저리 흘렸다 합니다. 만약 시각적으로 볼 수 있다면 정말 눈이 어지러울 것입니다. 그래서 교류는 바꿀 교(交)와 흐를 류(流 ), 교류라고 합니다. 영어로는 Alternating Current 로 의미는 같고 약자로 AC라고 합니다.
 
전기의 모양을 보는 측정기가 있는데 오실로스코프라고 합니다.

직류는 사진의 모니터 화면에 중앙에 있는 노란색줄로 일직선으로 보입니다. 전기의 변화가 전혀 없는 것을 의미합니다. 완전 직선이 아니고 물결과 같은 형태나 파형이 조금 있는 것을 맥류라고 하는데 여전히 + 와 - 극성 변화는 없습니다. 그러나 교류는 아래 사진처럼 0V를 중간에 두고 사인곡선의 형태를 나타냅니다.

중앙에 수평 수직이 크로스로 만나는 선을 볼수 있는데 수평선이 0V이고 그 윗쪽이 + 전압 크기이고 수평선 아래가 - 전압크기입니다. 전기가 + 에서 -로 바뀌었다 다시 -에서 +로 바뀌는 것을 반복하고 있음을 알 수 있습니다. 이런 사인곡선모양에서 교류를 의미하는 아이콘이

이런 모양을 하게 된 것입니다.
 
이제 직류와 교류를 알게되었으니 플레이밍에 대해 계속이야기를 해 보겠습니다.
플레이밍은 당시 통신에 대해 연구하고 있었는데 당시 통신은 교류전기를 높은 주파수로 올려서 전달하고 있었습니다. 높은 주파수의 교류에서 들을 수 있는 소리를 뽑으려면 일단 교류 주파수를 직류로 만들어야 했습니다. 엄밀히 직류라기 보다는 맥류라고 하는데 맥류는 +, - 의 극성은 바뀌지 않지만 전압크기가 약간씩 변하는 것입니다. 어쨌든 +, - 가 바뀌는 교류를 바뀌지 않게 한쪽 방향으로만 흐르게 해야 했습니다.  아래 그림에서 한쪽 방향만 흐르게 하고 다른 방향으로 흐르는 것을 막아야 합니다.

쉽게 이해하기 위해 결론을 먼저 말하면 ... 요즘은 아래와 같은 다이오드란 부품 하나만 넣으면 해결이 됩니다.

순방향으로만 전류를 흐르게 하므로 교류를 직류로 바꿀 수 있는 것입니다.

이렇게 간단하게 해결됩니다.
플레이밍 당시엔 이런 다이오드가 없었기 때문에 매우 고심을 하고 있었는데 에디슨의 효과가 바로 이역할을 할 수 있다는 것을 발견했습니다. 에디슨 효과 실험을 통해 뜨거운 필라멘트에 - 전기를 넣고 플레트에는 + 를 걸면 전기가 잘 흐르고 그 반대로 필라멘트에 + 를 걸고 플레이트에 -를 연결하면 전기가 흐르지 않는다는 것을 알아내었습니다. 아래 그림처럼 구성하면 

 
진공관의 필라멘트에 걸린 건전지는 히터를 뜨겁게하기 위한 것입니다. 교류전기를 걸어도 상관없습니다. 가능하지는 않겠지만 만약 전기 없이 토치로 필라멘트를 뜨겁게 할 수 있다면 그렇게 해도 진공관은 동작합니다. 필라멘트가 뜨겁기만 하면 이 진공관은 요즘 다이오드의 역할을 하고 교류전기를 직류로 만들 수 있습니다.
플레이밍은 바로 이렇게 최초의 진공관을 만들었습니다.  플레이밍은 이것을 처음엔 Oscillation(진동) valve(관) 라고 불렀다가 나중에 다이오드(Diode)라 불렀고 극이 2개가 있다고 해서 2극 진공관이라고도 부릅니다.

이것이 최초의 플레이밍의 진공관이었습니다. 
지금까지 이해가 힘드셨을까요? 
다음엔 왜 플레이밍의 진공관이 전기를 한쪽으로만 흘리는지 그 이유를 설명해 보겠습니다. 그리고 정말 중요한 증폭기능을 가진 3극 진공관의 탄생을 이야기해 보겠습니다.

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