1. 전자레인지 작동의 기본 개념.
2. 충돌의 기본 개념.
3. 전자레인지에서의 충돌.

1. 전자레인지 작동의 기본 개념.
전자레인지는 음식물을 가열하여 조리하는 전자제품이다. 음식물을 가열하기 위해서는 에너지를 음식물에 전달할 필요가 있다. 전자레인지는 에너지 전달 방식으로서 전자기파(Electromagnetic Wave)를 사용한다.

정확히 알아보자. 대부분의 음식물은 수분을 포함하고 있으며, 그러므로 다량의 물 분자가 존재한다. 물 분자는 기하학적으로 구부러져 있으므로 극성을 띄고 있으며 +극과 -극으로 나누어진 쌍극자 형태를 이룬다. 이 쌍극자에 전기장이 걸리게 되면 +전하와 -전하가 힘을 받는 방향이 반대이므로 전기장과 평행한 방향이 될때까지 분자가 회전하게 된다. (자기장의 영향도 있으나 고려하지 않아도 좋다.)

만약 쌍극자에 주기적으로 변하는 전기장이 걸리게 되면 쌍극자는 전기장을 따라 진동하게 된다. 이때 전기장의 진동 주기에 따라 쌍극자의 진폭이 달라지게 된다. 쌍극자의 진동 주기는 전기장의 진동 주기와 같아지지만 진폭이 달라지므로 쌍극자가 갖게 되는 에너지가 달라지는데, 물 분자에서 가장 흡수가 잘 되는 부분은 9GHz영역의 전자기파이다. 그러나 실제로 전자레인지에서는 2.45GHz의 전자기파를 사용하는데, 그 이유는 9GHz의 전자기파를 사용할 경우 전자기파의 흡수율이 좋아서 음식물의 표면에서 모두 흡수되므로 음식물의 안쪽은 익지 않고 표면은 타버리는 결과가 나타나기 때문이다.


2. 충돌의 기본 개념.
충돌은 두개 이상의 입자가 시공간에서 같은 위치를 갖게 되는 현상이다. 쉽게 말해서, 입자들 사이의 거리가 입자들의 크기보다 더 가까워 질 때를 말한다.
더 쉽게 말해서, 당구공 두개가 부딪치는 것을 상상하면 된다.

모든 충돌에서 운동량은 항상 보존되는 양이다.

두 입자의 충돌에서 중요하게 보는 요소는 반발계수인데, 이것은 충돌 전과 충돌 후의 상대속도의 비율이다. 즉, 충돌 후의 상대속도 크기를 충돌 전의 상대속도 크기로 나눈 것의 절대 값이다.

충돌은 충돌 전과 충돌 후의 속도/에너지에 따라서 3가지로 구분할 수 있는데, 완전 탄성 충돌, 완전 비탄성 충돌, 비탄성 충돌이다.
완전 탄성 충돌은 충돌 후의 에너지가 보존되는 경우이다. 물론 이 경우 반발계수는 1이 된다.
비탄성 충돌은 반발계수가 0과 1사이에 있는 경우로서, 에너지가 일부 열로 바뀌게 된다.
완전 비탄성 충돌은 반발계수가 0으로, 두개의 입자가 달라붙어 버리는 경우로 설명할 수 있다.

반발계수가 1보다 큰 경우도 있을 수 있는데, 이 경우는 내부나 외부의 잠재되어 있던 에너지가 방출된 경우로 비탄성 충돌 과정으로 이해할 수 있다.


3. 전자레인지에서의 충돌.
전자레인지에서 일어나는 충돌은 크게 2가지로 나누어 볼 수 있다. 가장 대표적으로 물 분자와 주변 분자들 사이의 충돌과, 전자기파를 전달하는 광자와 물 분자의 충돌이다.

물 분자와 주변 분자들 사이의 충돌은 물 분자가 진동하기 때문에 일어나게 된다.
자세히 살펴보자. 물 분자가 진동하는 전기장에 의하여 진동을 시작하게 되면, 물 분자 자체가 진동하는 효과와 물 분자가 질량중심에 대하여 회전하는 효과 등 두가지 현상이 일어나게 된다. 이러한 효과들 때문에 물 분자를 이루고 있는 산소와 수소 원자들이 움직이게 되고 이것이 주변의 분자들과 충돌하여 에너지가 전달된다.
전달된 에너지는 방향성이 없으므로 분자들의 운동에너지로 전환되며, 이것은 거시적으로 열로 나타나게 된다.
이때 원자들 사이에서 일어나게 되는 충돌은 원자 내부의 열 에너지라는 것을 생각할 수 없으므로 열 에너지로의 흡수가 없어서 완전 탄성 충돌이다.

전자기파를 전달하는 광자와 물 분자의 충돌은 전자기파를 입자로서 간주할 수 있기 때문에 가능하다. 광자가 갖고 있는 에너지가 물 분자의 에너지 준위와 맞게 되면 물 분자에 광자가 흡수되고 물 분자의 에너지가 커지게 된다. 이 과정은 두 입자가 달라붙어 버리는 경우이므로 완전 비탄성 충돌에 해당한다.

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옛날에 회사에서 일할때 썼던 글. 어딘가에서 똑같은 글을 발견한다면, 이게 원본이다.
by snowall 2011. 11. 24. 13:20