면접자료-전자레인지의 원리

전자레인지에 숨겨진 과학

 

평소 전자레인지로 맛있는 요리를 뚝딱 만들어 주시는 경수 어머니는 어느날 경수에게 전자레인지가 어떤 원리로 음식을 데우는지 물어보셨다. 경수는 인터넷을 검색해 마이크로파를 음식에 쏘아서 물분자를 진동시켜 온도를 높인다는 사실을 알아냈다. 하지만 경수는 새로운 의문이 생겼다. 마이크로파도 일종의 파장이기 때문에 자칫 서로 간섭을 일으켜 상쇄될 수도 있지 않을까 하는 의심이 생긴 것이다. 그런데 마이크로파를 상쇄시키지 않고 전자레인지 내부에 오랫동안 존재하도록 하기 위해 정상파 조건을 이용한다. 다음 물음에 답하라.

 

1) 전자레인지 내부공간의 모양을 살펴보니 아래 그림과 같았다.

  마이크로파는 전자레인지 내부에서 정상파를 이루며 존재한다. 전자레인지의 각 벽면을 마디로 하는 정상파 중에 파장이 가장 긴 마이크로파의 파장길이는 얼마인가?

 

2) 마이크로파는 전자기파의 일종이다. 1)번 결과에서 얻은 마이크로파의 진동수는 얼마인가?(단, 공기 중에서 전자기파의 속력은 3×1010cm/s이다.)

 

3) 물분자는 산소원자와 수소원자가 스프링으로 연결돼 진동하는 것으로 가정할 수 있다. 이 스프링의 고유진동수와 일치하는 전자기파를 쬐어주면 물분자의 진동이 커져서 결국 열이 발생하게 된다. 위에서 구한 마이크로파의 진동수로부터 산소원자와 수소원자에 결합력을 주는 스프링 상수를 구하라. (단 수소원자의 질량은 1.67×10-10kg이고, 산소원자의 질량은 수소원자에 비해 무한히 크다고 가정한다).

 

 

 

 

예시답안

1) 전자레인지 내부에는 세 방향으로 정상파가 존재할 수 있으며 직육면체의 세 변의 길이는 정상파의 반파장 길이의 정수배가 되리란 것을 짐작할 수 있습니다. 그런 정상파 가운데 가장 파장이 긴 것을 구하기 위해 아래 그림을 통해 생각해봅시다.

 

반파장의 길이가 6cm일 때 전자레인지 내부 모든 곳에서 정상파를 이룰 수 있습니다. 따라서 파장이 가장 긴 정상파의 파장의 길이는 12cm입니다.

2) 파동의 속력과 진동수와 파장은 다음과 같은 관계를 만족합니다.

v=fλ  (f는 진동수)

따라서 마이크로파의 진동수를 구하면 

 

 입니다.

 

3) 물분자 내에서 수소원자가 진동하는 형상을 그림과 같이 용수철에 매달린 물체의 운동으로 표현할 수 있습니다. 이 용수철의 고유진동수가 2.5GHz일 때 스프링 상수는 다음과 같이 구할 수 있습니다.

 

 

 

이고,

 

T=1/f이므로

 

 

 

 

입니다.

따라서 스프링 상수 k는 4.1×10-7N/m입니다

 

출처 : 과학동아