전화기의 작동 원리
전류를 이용해서 음성 메시지를 주고받는 일을 전화기라고 합니다. 전화는 가장 유용한 통신 수단으로 멀리 떨어진 곳에 있는 사람에게 실시간으로 대화할 수 있도록 도와줍니다. 전화의 기본 기능은 잘 알다시피 소리쳐 불러도 들리지 않는 먼 거리에서 서로 대화할 수 있도록 하는 것입니다. 전화뿐일까요? 현재에는 문자, 그림, 사진, 영상을 주고받는 일이 일상이 되었습니다. 우리가 쓰는 전화기는 거대하고 복잡한 전화통신망과 연결되어 있습니다. 이 통신망은 땅 속이나 바다 밑에 매설된 엄청난 길이의 구리 전선과 머리카락 정도 두께의 광섬유, 무선송수신기, 지구 상공 궤도를 도는 인공위성들로 이루어져 있습니다. 대부분 우리는 이러한 통신망을 사용해 다른 사람들과 연결할 수 있는 것입니다. 하지만 휴대용 전화기는 어떨까요? 선이 없는 대신 전파상으로 통신망에 연결할 수 있습니다. 그렇다면 전화기는 어떻게 작동하는 걸까요? 전화를 걸 때 손에 드는 송수화기에는 송화기와 수화기가 함께 들어 있습니다. 송수화기를 들면 수화기에서 발신음이 들리며, 이 소리가 나면 전화를 걸 수 있다는 뜻입니다. 전화 거는 사람은 발신음을 확인하고 전화번호를 입력하는데, 전화번호는 목적지의 전화를 나타내는 숫자들입니다. 전화통신망은 이들 숫자를 이용해서 주소를 찾아가듯이 두 전화를 연결합니다. 전화 거는 사람이 송화기에 대고 말을 하면, 전화기가 음성을 전류로 바꾸고, 전화통신망의 여러 장치가 이 전류를 받는 사람의 전화기까지 전송해서 원래 목소리에 거의 가깝게 재생해주기 때문에 받는 사람은 건 사람의 음성과 거의 같은 소리를 듣게 되는 것입니다. 기본적인 전화기는 다이얼 장치, 송화기, 수화기로 이루어져 있습니다. 다이얼 장치는 전화번호를 입력하는 장치입니다. 다이얼 장치는 송수화기의 귀에 대는 부분과 말을 하는 부분 사이에 있거나, 송수화기와 떨어진 전화기 본체에 붙어 있습니다. 요즘 나오는 전화기는 대게 다이얼 장치가 번호판으로 되어 있는데, 표준 번호판은 0부터 9까지의 숫자와 '*'와 '#'까지 단추 12개로 되어 있습니다. 번호판의 단추를 누르면 전기 펄스가 몇 개 발생하거나, 정확한 음색으로 소리가 납니다. 전화통신망의 컴퓨터가 이 펄스나 소리로 원하는 곳을 찾아서 전화를 연결합니다. 다이얼 장치가 원판으로 된 회전식 다이얼도 있는데, 숫자 0에서 9에 해당하는 다이얼에 손가락이 들어갈 만한 크기의 구멍이 뚫려 있습니다. 전화를 거는 사람은 다이얼을 돌렸다가 놓아서 전화번호를 입력하며, 돌려진 다이얼이 제자리로 갈 때 전기 펄스가 발생하는 방식으로 작동합니다. 송화기는 목소리를 전류로 바꿔서 전화망을 통해 멀리 보내는 역할을 합니다. 입에 대고 말하는 송화구 바로 뒤에 송화기가 있는데, 탄소송화기와 포일일렉트렛 축전기 마이크로폰이 있습니다. 탄소 송화기는 진동판과 탄소통으로 이루어져 있습니다. 진동판은 얇은 알루미늄 원판이고, 탄소통은 진동판 뒤 두 전극 사이에 있습니다. 탄소통에는 탄소 가루가 많이 들어 있는데, 탄소 가루 속으로 낮은 전압의 전류가 흐릅니다. 진동판 뒤 탄소통에는 금도금된 작은 놋쇠 반구가 들어 있습니다. 송화구에 입을 대고 말하면, 목소리 때문에 진동판이 떨립니다. 소리가 크면 진동판이 많이 떨리고, 소리가 작으면 진동판이 약하게 떨립니다. 진동판이 떨리면 탄소통 안쪽의 금속 반구가 함께 떨리면서 탄소 가루를 누르는데, 떨림이 약하면 탄소 가루가 약하게 눌리고, 떨림이 크면 탄소 가루가 세게 눌립니다. 탄소 가루가 세게 눌릴수록 전류가 탄소 가루 사이를 더 쉽게 통과해서, 소리가 크면 클수록 탄소 가루에 더 큰 전류가 흐르게 됩니다. 이 전류의 진동이 사람의 목소리를 전기적으로 복사한다고 볼 수 있습니다. 포일일렉트렛 축전기 마이크로폰은 한 면에 금속을 입힌 얇은 플라스틱 원형 진동판이 정전기를 띤 채로 들어 있습니다. 이 진동판이 포일일렉트렛인데, 백플레이트라는 속이 빈 금속 원판 쪽으로 뻗어 있습니다. 진동판의 일부분은 백플레이트에 닿아 있고, 나머지 부분은 공기주머니로 백플레이트와 나뉘어 있습니다. 목소리가 진동판에 부딪히면 진동판이 공기주머니 안에서 진동하게 됩니다. 진동판에 있는 전하는 진동판과 백플레이트 사이에 전기장을 만드는데, 전기장의 세기는 진동판과 백플레이트 사이의 거리에 따라 달라집니다. 송화구에 입을 대고 말하면 목소리가 진동판을 때리고, 진동판이 떨리면 진동판과 백플레이트 사이 간격이 변해, 전기장의 세기도 변합니다. 따라서 소리가 진동하면 전기장이 진동해 세기가 달라지고, 전기장의 세기에 따라 전류도 진동합니다. 이 전류의 진동이 사람의 목소리를 전기적으로 복사하는 것입니다. 수화기는 전화선을 통해 오는 전류를 소리로 바꾸는 장치로, 송수화기의 귀를 대는 부분 뒤에 있습니다. 수화기에는 부드러운 틀 안에 철제 진동판이 있고, 진동판은 고리 모양의 영구자석에 둘러싸여 있습니다. 영구자석은 진동판을 계속 잡아당기고 있으며, 진동판의 다른 쪽은 금속에 코일을 감아서 만든 전자석과 닿아 있습니다. 코일에 전류가 흐르면 전자석이 자성을 띠게 됩니다. 전류는 양 방향으로 흐르는데, 영구자석이 당기는 방향으로 자기장이 생기게 전류가 흐르면 영구자석은 진동판을 더 세게 잡아당기게 되고, 전류가 반대 방향으로 흐르면 영구자석에도 반대방향으로 자기장이 생겨 진동판을 잡아당기는 힘이 줄어듭니다. 이렇게 영구자석이 당기는 힘의 변화에 따라 진동판이 떨리고, 진동판이 떨리면 진동판 바로 앞에 있는 공기가 진동해서 전화한 사람의 목소리와 거의 같은 음파가 발생합니다. 이 음파가 듣는 사람의 귀에는 말하는 사람의 목소리처럼 들리게 되는 것입니다.