📻 전구에서 진공관을 ... (5)

 
"전구에서 진공관을 ..." 의 마지막 편입니다.
 
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전구에서 진공관을 ... (4)

 
1883년 토머스 에디슨이 열전자방출을 발견한 이후 21년 후에 플레이밍이 2 극진공관을 발명하고 그로부터 단 2년 후에 드 포레스트가 3 극관을 발명했습니다. 기간으로만 봐도 에디슨효과를 2 극관으로 실용화하는 데는 오랜 시간이 걸렸는데 플레이밍의 숨은 노력을 알 수 있습니다. 드 포레스트는 플레이밍의 진공관에 금속막대를 집어넣어보는 정말 단순한 아이디어로 전기를 조정할 수 있는 3 극관을 발명했습니다. 드 포레스트는 진공관에 대한 깊은 지식 없이 그냥 해 본 것이었습니다. 공은 드 포레스트로 돌아갔지만 역사적으로는 에디슨과 플레이밍의 공이 더 크다고 할 수 있습니다.
그러나 드 포레스트와 같은 단순하지만 무모한 시도가 실제 인류의 문명을 크게 바뀌어 놓은 경우가 흔하게 있습니다. 오히려 그런 시도가 더 중요한 의미가 있을지도 모릅니다.

위의 그림을 보면서 원리를 설명하겠습니다.
에디슨은 단순히 뜨거운 음극에서 양극으로 진공 속에서 전기가 흐른다는 것을 발견했습니다.
그것은 전선에 연결된 전류계의 바늘이 올라가는 것으로 알았습니다.
플레이밍은 전기가 흐르는 것은 이미 알았고 전기를 반대로 걸면 전기가 흐르지 못한다는 것을 알게 되었습니다. 그래서 교류를 직류로 바꾸는 장치로 사용했습니다.
드 포레스트는 음극에서 양극으로 전기가 흐르는 진공의 공간에 막대를 삽입했습니다.
그리고 거기에 안테나에서 오는 신호를 넣었습니다.
그랬더니 음극에서 양극으로 흐르는 전류에 변화가 생겼습니다.
전선에 연결된 전류계 바늘이 가만히 있는 것이 아니라 흔들렸을 것입니다.
당시 드 포레스트의 3 극관의 증폭률은 정말 미미 했지만 안테나의 작은 신호를 
필라멘트와 플레이트에 걸린 높은 전압의 변화로 약간의 증폭이 이루어졌습니다.
막대가 전류의 흐름을 변화시키는 이유는
필라멘트에서 플레이트로는 전자가 흐르고 있기 때문입니다.
전자는 - 전기를 만나면 딸려가고 + 전기를 만나면 밀려납니다.
금속 막대기에는 교류의 전기가 걸리는데 교류는 +와 -가 번갈아 가며 바뀌는 것입니다.

+가 되면 전자는 당겨지니 필라멘트에서 나온 전자는 가속이 되어 플레이트 쪽으로 날아갑니다.
막대가 +라 여기어 흡수되지 않을까란 생각도 할 수 있으나 플레이트에 비해 면적이 작아서
전자는 가속된 채 그냥 지나쳐 버립니다.
-가 되면 전자는 막대의 - 전하에 밀려 플레이트 쪽으로 많이 넘어가지 못합니다.
이렇게 되어 전류의 변화가 생기게 됩니다.
위 그림에서 실제 필라멘트에서 플레이트에 걸린 전압은 굉장히 높은 전압입니다.
100~1,000V까지는 걸릴 수가 있습니다. 더 이상일 수도 있습니다.
그러나 중간에 삽입된 금속막대에는 안테나의 신호이기 때문에 수  mmV정도의 전압변화입니다.
100~1,000V에 변화를 주면 적어도 1V이상의 전압변동이 생길 수 있기 때문에
신호가 증폭되는 것입니다.

위 회로는 드 포레스트의 안테나 신호를 받아서 증폭하는 아이디어에 대한 특허입니다. 간단한 라디오인데 요즘 진공관 증폭회로와 비슷합니다.

사진은 드 포레스트의 3 극진공관이고

플레이트와 그리드, 필라멘트가 잘 보이는 각도에서 보면 이렇습니다.
S자로 구부려놓은 철사가 그리드입니다.
처음에 금속막대를 넣었던 것을 플레이밍과의 특허분쟁으로 그리 도로 바꾸어 놓은 것입니다.
그러나 막대나 일직선의 와이어 모양보다는 저런 그리드모양이 전자를 컨트롤하기 더 쉽습니다.

좀 확대를 한 것인데요 플레이트가 제일 뒤에 있고 그다음 그리드 그리고 그 위에 하트모양으로 필라멘트가 있습니다. 현대의 진공관과는 모습이 많이 다르긴 하지만 기본적인 구조는 그대로입니다.
 
지금도 쓰이는 3 극관 기호는 다음 그림과 같습니다.

이 모습과 거의 비슷하지 않은가요?

 
어려운 기술이라도 역사를 거슬러 그 기술이 처음 발견되던 때의 모습을 보면 훨씬 이해하기 쉬워집니다.
 
지금까지 전구가 진공관이 되기까지의 과정을 보았습니다. 쉽게 설명한다고는 노력했지만 어렵지 않으셨는지 모르겠습니다. 근본적인 원리는 결코 쉬운 학문이 아닙니다. 진공 속에서의 전자와 같은 입자의 움직임에 대한 연구는 아직도 최첨단입니다.

이런 어마어마한 입자가속기를 아십니까?

이렇게 넓은 땅에 거대하게 건설됩니다.

내부는 입자가 날아다니는 진공 튜브로 이어져 있습니다. 하나의 원형 진공관입니다.
한쪽 음극에서 진공관의 원리처럼 입자를 방출하고 전자석으로 가속하여 어느 속도에 다다르면 입자들끼리 충돌시키는 것입니다.

위의 그림은 입자가속기와 같은 원리로 작동하는 진행파관 증폭기인데 짧기 때문에 원형으로 굽어져 있진 않고 직선으로 펴져 있습니다. 왼쪽에 히터가 보이고 캐소드, 그리드, 아노드(플레이트)라는 익숙한 명칭을 보실 수 있습니다. 거대한 입자가속기 역시 전자나 입자의 방출 원리는 진공관과 같습니다.
 
전자기기에서 진공관은 잘 보이지 않지만 이 거대한 진공관은 영원히 없어지지 않을 실험기구입니다.

그리고 마지막으로 더 큰 진공관이 있습니다. 그것은 우주입니다. 우주는 이미 진공상태이고 거대한 태양은 필라멘트처럼 전자를 비롯해 각종 입자들을 마구 쏟아냅니다. 

 
인간이 진공관을 발명한 것은 어쩌면 작은 우주를 발명한 것인지도 모릅니다.

※ 사실 거대한 진공관 입자가속기는 우주를 땅에서 실험하기 위한 장치입니다. 빅뱅때의 우주를 연구하기 위함이라고 합니다.