N95 페이스 마스크의 물리학

Jul 20, 2023

레트 알랭

지금은 2022년이고, 지금까지 우리 모두는 거의 2년 동안 마스크를 착용해 왔습니다. 이미 매일 착용하고 있는 외과 의사나 건설 노동자가 아니라면 지난 2년 동안 어떤 제품이 가장 마음에 드는지, 어디서 구할 수 있는지, 여분의 물건이 있는지 등 많은 것을 배웠을 것입니다. 코트 주머니나 차 안 어딘가에.

하지만 그 소중한 N95 마스크가 왜 그렇게 특별한지 아시나요? 알아 보자.

일반 천이나 종이 안면 마스크의 섬유는 입자를 물리적으로 차단하여 걸러냅니다. 하지만 N95 마스크의 섬유는 뛰어난 물리학적 트릭도 사용합니다. 이 섬유는 전기적으로 충전되어 있습니다.

전하는 모든 입자의 기본 특성 중 하나입니다. 당신 주변의 거의 모든 것은 양성자, 전자, 중성자라는 세 가지 입자로 구성되어 있습니다. (지금은 실제로 존재하는 기본 입자인 뮤온과 중성미자뿐 아니라 이론적으로 가능한 다른 입자도 무시하겠습니다.)

모든 입자에는 질량이 있듯이 전하도 있습니다. 양성자는 전하 측정 단위인 1.6 x 10-19 쿨롱 값의 양전하를 가지고 있습니다. 전자는 정반대의 전하를 가지고 있습니다. 그러면 중성자는 전하가 0이 됩니다(따라서 "중성자"의 "중성자" 부분).

전하는 전하 사이의 힘인 정전기 상호작용의 핵심 부분입니다. 이 힘의 크기는 두 전하의 크기와 두 전하 사이의 거리에 따라 달라집니다. 쿨롱의 법칙을 사용하여 이 힘을 계산할 수 있습니다. 다음과 같습니다:

이 표현에서,케이 는 9 x 109 N×m2/C2 값을 갖는 상수입니다. 요금은q1그리고q2그리고 그들 사이의 거리는아르 자형 . 이것은 뉴턴 단위로 힘을 줄 것입니다. 두 전하가 모두 동일한 부호(둘 다 양수 또는 둘 다 음수)인 경우 이는 반발력이 됩니다. 두 전하의 부호가 다르면 힘이 매력적입니다.

작성자: Brenda Stolyar 및 Eric Ravenscraft

모든 것이 전자와 양성자로 구성되어 있다면 모든 것 사이에는 전기력이 있어야 하지 않을까요? 글쎄요. 전자와 양성자는 매우 작습니다. 이는 심지어 작은 물방울에도 1022개의 양성자가 있다는 것을 의미합니다. 그 방울은 아마도 같은 수의 전자를 가질 것입니다. (적어도 지금은 아무도 중성자에 관심을 두지 않습니다.) 따라서 이 물 한 방울의 전체 전하는 쿨롱이 0이 됩니다. 물에 여분의 전자가 있더라도 전자 전하가 작기 때문에 총 전하는 작을 것입니다. 본질적으로, 여러분이 볼 수 있는 대부분의 물체는 전기력이 없는 전기적으로 중성입니다.

옷 건조기에서 양말을 꺼냈더니 셔츠에 달라붙었던 일을 기억하시나요? 그것이 정전기 상호작용이라면 양말은 어떻게 충전되었을까요?

양말을 음전하로 만들려면 한 가지 방법밖에 없습니다. 양말에 양성자보다 더 많은 전자가 있는지 확인하는 것입니다. 많은 양의 전자가 필요할 것입니다. 아마도 1013개의 추가 전자 정도일 것입니다. (이 숫자가 얼마나 큰지에 대한 아이디어를 제공하기 위해 지구상의 모든 사람에게 단식으로 1,000달러를 주는 데 필요한 지폐의 총 개수가 됩니다.) 모든 추가 전자는 양말에 약 1의 전체 음전하를 부여합니다. 마이크로쿨롱(1 x 10-6C).

동일한 양말을 양전하로 만들고 싶다면 전자를 추가하는 대신 전자를 제거하면 됩니다. 이로 인해 양말에는 전체 양전하를 위해 전자보다 더 많은 양성자가 남게 됩니다. 하지만 대부분의 물체에서 아무렇게나 양성자를 제거할 수는 없습니다. 글쎄, 그럴 수는 있지만 매우 나쁠 수도 있습니다. 원소 주기율표를 다시 생각해 보세요. 핵에 6개의 양성자가 있는 탄소로 만들어진 물체로 시작한다고 가정해 보겠습니다. 이 양성자 중 하나를 제거하면 더 이상 탄소가 아닙니다. 그것은 5개의 양성자를 갖고 있는 붕소일 것이고, 방금 핵반응을 일으켰을 것입니다.

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