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전자물시계를 활용한전기전도도 탐구학습


Electric Conductivity ( 전기 전도도란 ) ?

1S = 1/Ω( 1S 는 수은주 0℃ 에서 단면적 1 ㎜ 2 , 길이 1m 사이의 전기저항의 역수 값 )

전기 저항 (ohm) 의 역수 mho 로 정의하고기호 S(Siemens) 표기 단위

의미 용액 중 이 물질의 정도를 간단하게 평가할 수 있는 기준

전기 전도도는 용액의 온도에 따라 측정결과가 다르므로용액의 전도도 값은 상온 25 ℃ 기준으로 평가하는 것이 일반적이다 .

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전기 전도도(Electric Conductivity)

용액이 전류를 운반할 수 있는 정도


오옴의 법칙과 전도도와 관계

전도도 측정 장치가 없을 경우 , 우리는 멀티메터 (Multi-Meter) 를 활용하여 전압을 측정함으로 용액의 전도도와 전압 발생의 상관관계를 확인할 수 있다 .

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I (Ampere) = V (Voltage) / R (Ohm)

전류 (Ampere)프랑스의 물리학자 알드레 마리 앙페르 (Andre Marie Ampere) 가 자기장의 크기는 전류에 비례한다는 법칙을 발견 : 전류의 표기는 I (Ampere)

전압(Volt)

이태리 물리학자 , 알렉산드라 볼타 (Alessandro Volta) 가 소금물을 담은 2 개의 그릇을 준비하고 한 그릇에 구리를 담그고 다른 그릇에 아연판을 담근 후 연결하여 세계 최초로 전기를 얻음 : 전압의 단위를 V (Volt).

저항 (Ohm)

오옴의 법칙 (Ohm’s law)

단 위

독일의 과학 교사 게오르그 오옴 (Georg Ohm) 이 실험을 통해 전류와 전압이 비례 관계에 있다는 사실을 규명하여 유명한 오옴의 법칙을 완성 : 저항의 단위를 오옴 (Ohm)


용액 별 전도도 값

용 액 전 도 도

순수 물 0.055 μs/cm

증류수 0.5 μs/cm

깨끗한 수돗물 50 μs/cm

식수 최대치 1055 μs/cm

바닷 물 53 ms/cm

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전자물시계의 과학적 원리구리판 (Cu) 과 아연판 (Zn) 은 물속에서 아래와 같은 화학반응이 일어나 아연판에서

전자가 발생되어 매체 ( 물 , 음료수 , 과일 ) 을 따라 이동합니다 .

아연판과 구리판에서 산화 , 환원반응으로 전위차가 생깁니다 .전위차는 각 물질의 깁스 에너지 (Gibbs Energy) 을 이용하여

구리의 깁스 에너지 : -65490 J/mol 아연의 깁스 에너지 : -147060 J/mol

E( 산화환원전위 ) = - G/(n X F), 여기서 F 는 Fraday 상수 : 96500 이며 n 은 전자 개수입니다 .

구리의 산화환원전위 = -(-65490)/(2 X 96500) = 0.340V, 아연의 산화환원전위 = (-147060)/(2 X 96500) = -0.762V구리판의 양극과 아연판 음극의 이론적 전위차는 1.1V 가 됩니다 .

Cu+2 + 2e- = Cu ( 환원반응 ) Zn = Zn+2 + 2e- (산화반응 )

전자물시계에서는 구리판과 아연판이 2 개씩직렬로 연결 : 이론적으로 2.2V 의 전압

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전자물시계의 특징

- 볼타 전지 : 화학반응으로 전기 생성- 직렬과 병렬 연결의 개념- 각 액체나 용액에서의 전기 전도도 차이

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간단하고 쉬운 조립

납땜이 필요 없는 스프링 연결잭 채택

유용하고 실질적인 과학 실험 키트

내가 만든 책상용 시계로 지속적 사용 가능

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Note : 전자물시계에는 저항 연결 필요 없음

구리판과 아연판 직렬 연결 시 조심

전자물시계의 조립


Note : 오렌지 , 사과는 물론 오이 등으로 테스트하기

전자물시계의 조립

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멀티메터를 사용 전자물시계 전압 측정

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* 직류전압 20V 에 스위치를 맞춘다 .

* 검정 과 빨간 잭을 위 설명된 구멍에 끼운다 .

* 구리판과 아연판에 리드봉을 접촉한다 .

* 전압 값을 읽고 기록한다 .

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전자 물시계에 사용되는 액체나 용액 종류에 따라 서로

다른 전도도의 영향으로 전압 값은 다르게 측정된다 .

Civic water ( 일반 수돗물 ) : 1.4-1.6 V

Orange juice ( 오렌지 주스 ) : 1.7-1.9 V

Ionic drink ( 이온 음료 ) : 1.85-2.0 V

여러 용액에서의 전압 실험


전자 물시계 유지관리

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전자 물시계의 작동을 유지하기 위해 주기적으로 2-3 주 간격으로 아연판 표면의 녹( 스케일 ) 은 사포나 천으로 닦아주고 물을 갈아주도록 한다 .

전자 물시계는 물 속의 아연판의 화학적 반응에 의한 전기적 에너지로 작동된다 . 시간이 경과하면 아연판이 물과 산화 반응하여 녹 ( 스케일 ) 이 생기고 이는 아연판 과 물의 지속적인 화학반응을 방해한다 .


Thank You

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