■ 교사용 실험 자료실 ■

실험 제목	화재경보기			실험 원리	바이메탈의 원리와 내부 구조이해
실험 시간	40분	실험 분야	물리	실험 방법	개별 실험
세트구성물	플라스틱 케이스, 고휘도 LED, LED캡, 부저, 볼트 2개, 너트 6개, 엔드캡, 2p커넥터, 4p커넥터, 커넥터용 전선 4개, 전지끼우개, 건전지 2개, 양초
교사준비물	라이터 또는 성냥			학생준비물	칼, 가위, 송곳
실험 결과	화재경보기 1개를 가지고 갈 수 있습니다.
실험팁	TIP 1. 바이메탈의 위치를 제외한 LED와 부저의 위치는 임의로 결정해도 무방합니다. TIP 2. 바이메탈의 모서리가 매우 날카로우므로 모서리를 둥글게 오린 후 실험합니다. TIP 3. 짧은 볼트와 긴 볼트의 높이차가 적을수록 접촉이 잘 됩니다. TIP 4. 양초에 불을 켜거나 끌때 화재 및 화상에 유의하시기 바랍니다.

겨울의 기차레일을 보면 어느 정도 간격을 두고 끊어져 있습니다. 또 여름철에 전선줄은 길게 쳐져 있는 반면, 겨울철의 전선줄은 팽팽하게 되어 있습니다. 그 이유는 무엇일까요?

온도가 올라가면 분자 또는 원자들의 운동이 활발해져서 분자 또는 원자들의 평균 거리가 커지기 때문에 부피가 팽창됩니다. 따라서 여름에 기차레일이 늘어나 휘지 않도록 간격을 두고 설치하고, 전선줄이 겨울에 수축하여 끊어지지 않게 하려고 전선줄을 늘어지게 설치하는 것입니다.

1. 이 실험에서 바이메탈에 열을 가하면 ( 위쪽, 아래쪽 )으로 휘어집니다.

2. 바이메탈이란 열을 가했을 때 ( 팽창, 변색 )하는 정도가 서로 다른 두 금속을 부착한 특수한 금속으로, 열을 가하면 더 ( 많이, 적게 ) 팽창하는 방향으로 휘어지는 특성을 가지고 있습니다. 이 실험에서 더 많이 팽창하는 금속면은 ( 윗면, 아랫면 )입니다.

3. 우리 주변에서 바이메탈을 이용하는 전자제품에는 어떤 것들이 있을까요?

전기밥솥, 다리미, 냉장고, 전기주전자 등 온도조절이 필요한 다양한 곳에 사용되고 있습니다.

바이메탈

열팽창계수가 매우 다른 두 종류의 얇은 금속판을 포개어 붙여 한 장으로 만든 막대 형태의 부품으로, 열을 가했을 때 휘는 성질을 이용하여 기기를 온도에 따라 제어하는 역할을 할 수 있다.

열팽창계수, 즉 온도의 변화에 따라 팽창·수축하는 정도가 다른 두 종류의 얇은 금속을 포개어 붙여서 만든다. 온도가 높아지면 열팽창계수가 큰 쪽이 더 많이 팽창하면서 반대쪽으로 휜다. 그리고 다시 온도가 내려가면 원래 상태로 돌아온다. 팽창이 잘 되지 않는 금속으로 니켈(Ni)과 철(Fe)의 합금이 사용되며, 팽창이 잘 되는 금속은 니켈·망가니즈·철의 합금, 니켈·몰리브데넘·철의 합금, 니켈·망가니즈·구리의 합금 등 여러 가지가 있다.

온도에 따라 휘는 성질을 이용하여 온도에 따라 스위치를 닫거나 여는 장치를 만들 수 있다. 또는 바이메탈 자체를 스위치로 사용하여 회로를 조절할 수도 있다. 그러나 이런 경우 접점에서 떨어질 때 불꽃이 발생하여 온도조절이 느려질 수도 있으므로 접점의 동작이 빨라지게 만들어야 한다.

예를 들어, 전기밥솥에 바이메탈을 사용하면 특정 온도 범위를 유지하게 만들 수 있다. 상온에서 바이메탈의 한쪽 끝이 스위치의 약간 아래쪽에 오도록 다른 쪽 끝을 고정한다. 밥솥 내부의 열선에 전류가 흐르면서 온도가 올라가고, 이에 따라 바이메탈은 조금씩 위로 휘어진다. 특정 온도가 되면 바이메탈이 스위치를 열어 전류를 끊는다. 서서히 밥솥이 식으면 바이메탈도 다시 아래로 내려가면서 스위치가 닫히고 다시 가열된다. 이외에도 전기다리미, 전기주전자와 같은 가정용 전기기구 등 온도조절이 필요한 각 방면에 널리 사용하고 있으며 전류제한기, 자동개폐기 등에도 사용한다.

열팽창

모든 물체는 대체로 온도가 올라가면 부피가 팽창하게 된다. 고체는 부피와 함께 길이, 면적도 팽창한다. 온도가 올라가면서 길이가 팽창하는 것을 선팽창, 부피가 팽창하는 것을 부피 팽창이라 하고 이들을 합해서 열팽창이라고 한다.

온도가 올라가면 열팽창하는 것은 분자 또는 원자들의 운동이 활발해져서 분자 또는 원자들의 평균 거리가 커지기 때문이다.

고체의 열팽창

1. 선팽창

처음 길이가 인 고체 막대를 가열해서 온도가 만큼 변했을 때 막대의 길이가 이 되었다. 이 때 길이 은

이다.

여기서 늘어난 길이 은 처음 길이에 비례하고 상승한 온도에 비례한다.

는 선팽창 계수로 단위 길이당 1 ℃ 상승할 때 늘어난 길이이다.

2. 부피 팽창

처음 부피가 인 물체를 가열해서 온도가 만큼 변했을 때 물체의 부피는 가 되었다. 이 때의 부피 는 다음과 같다.

여기서 는 부피 팽창 계수로 단위 부피당 1 ℃ 상승할 때 늘어난 부피로 선팽창 계수의 약 3배이다.  다음 그림들은 고체의 팽창의 예이다