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무거운 열차를 들어 올려서 무서운 속력으로 달리는 자기부상열차에는 최첨단의 과학이론과 기술이 총집결돼 있습니다. 자기부상열차의 운행과정을 모두 알기는 어렵지만 열차를 띄워서 움직이게 하는 기본적인 원리는 간단한 실험을 통해 이해할 수 있습니다.

준비물

● 아크릴판 2장, 아크릴 접착제, 막대자석 10-15개 정도

실험방법

아크릴판으로 레일을 만들어 그 안에다 자석을 같은 극끼리 테이프로 일렬로 고정시킨다. 그리고 아크릴판으로 열차의 모형을 만들고 열차 속에 자석을 고정시킨다. 이때 주의할 점은 열차의 탈선을 막기 위해 바깥 레일의 높이를 5㎝ 정도 높게 설치해야 하고 부상한 열차의 높이를 맞추는 일이다.

열차가 완성됐으면 자력이 센 쪽의 레일 위에 열차를 올려 놓는다. 그러면 자석의 척력(斥力)에 의해 열차가 부상한 채로 움직일 것이다. 자석이 잘 정렬되지 않으면 열차가 움직이지 않는데, 이때는 양 끝에서 자석을 대고 살짝 밀면 된다.
 

자석의 손과 손의 모습

자기부상열차를 이해하려면 자석의 자기(磁氣)에 대한 몇 가지 성질을 실험을 통해 알아보는 것이 필요합니다. 자석은 끌어당기고 밀어내는 손이 있습니다. 실험을 통해 자석의 손이 작용하는 모습은 어떠하다는 것을 알 수 있습니다. 자석의 주위에는 자력이 작용하는 공간이 있습니다. 이 공간을 자기장 또는 자석의 손이라고 하는데, 자기장의 범위(손의 길이)는 꽤 넓습니다.

나침반 수십 개를 나열해 놓고 그 가운데에 자석을 넣어 서서히 밀어 봅시다. (사진1)과 같이 상당히 먼 부분까지 자력이 작용하고 있음을 나침반 바늘의 움직임을 통해 알 수 있습니다.

이러한 자기장의 방향을 부드러운 곡선으로 연결해서 표시한 것이 자력선입니다(사진2, 3). 이 자력선은 옆으로만 작용하는 것이 아니라 위쪽과 아래쪽, 방사형으로 작용하고 있음을 알 수 있습니다. 자석 주위에 쇳가루를 뿌리면 이 쇳가루가 막대 자석의 자장 속에 들어가 자화(磁化)돼 자기장의 방향으로 정렬합니다.

전자석을 사용하면 전류와 코일의 감는 수에 따라 사람을 매달 수 있을 정도의 강한 자석을 만들 수 있습니다. 전자석에는 반드시 철심을 사용해야 하는데, 이 철심은 코일에 의해서 만들어지는 자장에 자화돼 보다 강한 자석을 만듭니다.

그러면 철심이 없는 상태로 실패에다 코일을 감아 못을 실패 구멍 속에 가까이 가져가 볼까요. 어떻게 될까요? 코일이 감겨 있는 실패 속으로 못이 쏙 들어가 버리지요. 연결한 전류를 끊어보면 못은 다시 떨어져 나옵니다. 따라서 철심이 없어도 코일 주위에는 자장이 존재하고 있음을 알 수 있습니다.

이 코일에 교류전기를 연결하면 어떻게 될까요? 교류전기를 연결한 코일 다발의 실패 속에 못을 넣어 책상 바닥에 잠깐 대보면 못이 굉장히 빠른 속도로 움직이는(위 아래로) 것을 손의 느낌으로 알 수 있습니다.

즉 교류전기는 전자석의 극을 굉장히 빠른 속도로 바꾸고 있는 것입니다. 그래서 실패의 극이 순간적으로 바뀌고 있기 때문에 못이 위 아래로 떨리고 있는 것입니다. 이러한 교류전기의 극의 바뀜에 따라 부상(浮上)한 열차가 자석의 인력(引力)과 척력에 의해 전진하게 되는 것입니다.
 

자기부상열차의 원리

자기부상열차란 초저온인 -2백70℃ 부근에서 일어나는 초전도현상(超電導現象)*을 이용해 강력한 전자석을 만들고 그 전자석의 반발력으로 차체를 10-2O㎝ 쯤 공증에 뜨게 해 마찰을 없앤 후 선형유도모터(리니어모터)라는 새로운 원리의 모터로 열차를 움직이는 것을 말합니다.

열차에 설치한 코일이 자기장을 만들며 자극의 위치가 잇따라 이동해 고정자(固定磁) 레일 안에 맴돌이 전류(소용돌이 전류)가 생기고 자신의 자기장을 만들어냅니다. 이 두 자기장은 서로 작용하면서 이동하며 그 힘으로 부상해 있는 열차가 궤도를 따라 앞으로 갑니다.