전자기나 전자파라는 말을 흔히 들을 수 있습니다. 이는 우리의 생활을 편리하고 풍요롭게 하는 데 중요한 역할을 하며 이용되기 때문입니다. 전동기 발전기 레이더 사진 TV·라디오방송 등이 이와 관련된 것들인데, 그 가운데 직류전동기를 우리 손으로 만들어 봅시다.
전자기란 전기와 자기를 합친 말입니다. 1820년 덴마크의 물리학자 외르스테드(Oersted)가 전류가 흐르는 도선 주위에 놓인 자침이 힘을 받아 움직이는 현상을 우연히 발견하기 전에는 전기와 자기를 별개의 것으로 다루었습니다. 그러다 이후 전기와 자기의 상호작용에 대한 연구와 발전이 급속히 이루어졌죠.
도선에 전류가 흐르면 그 주위에 자기장이 생겨 자침이 영향을 받습니다. 이 현상은 자석과 자석 사이에서 서로 끌어 당기거나 밀어내는 자기력과 같은 현상으로 설명할 수 있습니다. 자석이 만드는 자기장 속에서 도선에 전류가 흐르면 이 도선이 자석과 같이 생각돼 다른 자기장으로부터 힘을 받게 됩니다. 이와 같이 자기장 속에서 전류가 흐르는 도선이 받는 힘을 전자기력이라 합니다.
실험결과 코일이 신나게 돌죠. 코일에 전류가 흐르면 코일이 수평일 때 앞쪽과 뒷쪽에 흐르는 전류의 방향이 반대이므로 전자기력도 반대가 돼 코일이 회전하게 되는 거예요.
코일이 같은 방향의 힘을 받아 계속 회전하려면 반바퀴마다 전류의 방향이 바뀌어야 합니다. 실제 직류전동기에는 반바퀴마다 전류의 방향을 바꾸어 주는 장치가 있어요.
이 실험의 전동기에서는 코일의 회전축이 되는 양끝의 피복물을 전부 벗기지 않고 위, 아래 부분만 벗겼지요. 그래서 코일면이 수평일 때는 전류가 코일에 흐르고 수직일 때는 전류가 흐르지 못하게 되죠.
다시 수평이 되면 전선에 흐르는 전류의 방향을 바꿔 주지 않아도 끊겼던 전류가 반바퀴 회전한 코일에 흐르면서 코일에 흐르는 전류의 방향이 바뀌게 됩니다. 그래서 코일은 같은 방향의 힘을 계속 받아 회전하게 되는 거예요.
보너스 실험
1. 춤추는 호일
스위치를 닫고 여는 것을 빠르게 반복하면 호일은 마치 살아 있는 것처럼 춤을 출 것입니다. 이것은 말굽자석의 자기장 방향이 반대가 돼 호일의 앞과 뒤에서 받게 되는 전자기력이 위, 아래로 작용하기 때문에 호일이 물결치듯 움직이게 되는 거예요. 전자기력의 방향은 전류의 방향과 자기장의 방향에 따라 달라지는데, 다음 실험에 나오는 호일봉으로 간단히 알아볼까요 .
• 준비물: 알루미늄 호일, 말굽자석 여러 개, 건전지, 전선, 스위치
• 실험방법
① 호일의 너비를 좁게 자른 후 2-3개를 연결해 길게 만들고 말굽자석 2-3개를 간격을 띄워 놓는다. 이때 뒤에 놓인 말굽자석의 극이 앞과 반대가 되도록 한다.
② 긴 호일조각에 전류를 흘려준다.
2. 움직이는 호일봉
전류의 방향을 바꿔주거나 자석의 극을 반대로 하면 호일봉은 반대방향으로 굴러가지요. 이때 왼손의 엄지, 둘째·가운데 손가락을 서로 직각이 되도록 펴서 둘째 손가락을 자기장의 방향에, 세째 손가락을 전류의 방향에 맞추면 전자기력의 방향은 엄지가 가르키는 방향이 됩니다(플레밍의 왼손법칙).
• 준비물: 둥근 막대, 호일, 막대자석 2개, 전선, 건전지
• 실험방법
둥근 막대로 속이 빈 호일봉을 2개 만들어 두 개의 자석 위에 놓고 전선을 연결하면 짧은 호일봉이 힘을 받아 또르르 굴러간다. 이때 같은 극이 같은 방향에 있도록 2개의 막대자석을 평행하게 놓아야 하며, 짧은 호일봉을 중앙보다 N극이나 S극에 가까이 놓는다. 극 가까이 갈수록 자기장의 세기가 커지므로 더 큰 힘을 받아 잘 굴러간다.
3. 유도 전동기 만들기
원래 알루미늄은 자석에 붙지 않는데, 알루미늄 원판을 물에 띄우고 자석을 가까이 하면 알루미늄 원판이 움직입니다. 이것은 자석이 가까이 오거나 멀어질 때 알루미늄 원판에 자기장의 변화를 막으려는 방향으로 유도전류가 생기기 때문이죠(전자기유도현상)
유도 전동기에서도 교류가 흐르는 코일로부터 시간에 따라 변하는 자기장이 형성되고 이러한 자기장의 변화를 줄이는 방향으로 원판에 유도전류가 흘러 계속 회전하게 되는 거예요.
• 준비물
코일 교류전원 알루미늄판 철사
• 실험방법
감겨 있는 코일에 교류전원을 연결하고 알루미늄 원판을 코일 중앙에 놓이도록 한 뒤 원판을 살짝 돌려주면 알루미늄 원판은 계속 회전한다.
전자기란 전기와 자기를 합친 말입니다. 1820년 덴마크의 물리학자 외르스테드(Oersted)가 전류가 흐르는 도선 주위에 놓인 자침이 힘을 받아 움직이는 현상을 우연히 발견하기 전에는 전기와 자기를 별개의 것으로 다루었습니다. 그러다 이후 전기와 자기의 상호작용에 대한 연구와 발전이 급속히 이루어졌죠.
도선에 전류가 흐르면 그 주위에 자기장이 생겨 자침이 영향을 받습니다. 이 현상은 자석과 자석 사이에서 서로 끌어 당기거나 밀어내는 자기력과 같은 현상으로 설명할 수 있습니다. 자석이 만드는 자기장 속에서 도선에 전류가 흐르면 이 도선이 자석과 같이 생각돼 다른 자기장으로부터 힘을 받게 됩니다. 이와 같이 자기장 속에서 전류가 흐르는 도선이 받는 힘을 전자기력이라 합니다.
실험결과 코일이 신나게 돌죠. 코일에 전류가 흐르면 코일이 수평일 때 앞쪽과 뒷쪽에 흐르는 전류의 방향이 반대이므로 전자기력도 반대가 돼 코일이 회전하게 되는 거예요.
코일이 같은 방향의 힘을 받아 계속 회전하려면 반바퀴마다 전류의 방향이 바뀌어야 합니다. 실제 직류전동기에는 반바퀴마다 전류의 방향을 바꾸어 주는 장치가 있어요.
이 실험의 전동기에서는 코일의 회전축이 되는 양끝의 피복물을 전부 벗기지 않고 위, 아래 부분만 벗겼지요. 그래서 코일면이 수평일 때는 전류가 코일에 흐르고 수직일 때는 전류가 흐르지 못하게 되죠.
다시 수평이 되면 전선에 흐르는 전류의 방향을 바꿔 주지 않아도 끊겼던 전류가 반바퀴 회전한 코일에 흐르면서 코일에 흐르는 전류의 방향이 바뀌게 됩니다. 그래서 코일은 같은 방향의 힘을 계속 받아 회전하게 되는 거예요.
보너스 실험
1. 춤추는 호일
스위치를 닫고 여는 것을 빠르게 반복하면 호일은 마치 살아 있는 것처럼 춤을 출 것입니다. 이것은 말굽자석의 자기장 방향이 반대가 돼 호일의 앞과 뒤에서 받게 되는 전자기력이 위, 아래로 작용하기 때문에 호일이 물결치듯 움직이게 되는 거예요. 전자기력의 방향은 전류의 방향과 자기장의 방향에 따라 달라지는데, 다음 실험에 나오는 호일봉으로 간단히 알아볼까요 .
• 준비물: 알루미늄 호일, 말굽자석 여러 개, 건전지, 전선, 스위치
• 실험방법
① 호일의 너비를 좁게 자른 후 2-3개를 연결해 길게 만들고 말굽자석 2-3개를 간격을 띄워 놓는다. 이때 뒤에 놓인 말굽자석의 극이 앞과 반대가 되도록 한다.
② 긴 호일조각에 전류를 흘려준다.
2. 움직이는 호일봉
전류의 방향을 바꿔주거나 자석의 극을 반대로 하면 호일봉은 반대방향으로 굴러가지요. 이때 왼손의 엄지, 둘째·가운데 손가락을 서로 직각이 되도록 펴서 둘째 손가락을 자기장의 방향에, 세째 손가락을 전류의 방향에 맞추면 전자기력의 방향은 엄지가 가르키는 방향이 됩니다(플레밍의 왼손법칙).
• 준비물: 둥근 막대, 호일, 막대자석 2개, 전선, 건전지
• 실험방법
둥근 막대로 속이 빈 호일봉을 2개 만들어 두 개의 자석 위에 놓고 전선을 연결하면 짧은 호일봉이 힘을 받아 또르르 굴러간다. 이때 같은 극이 같은 방향에 있도록 2개의 막대자석을 평행하게 놓아야 하며, 짧은 호일봉을 중앙보다 N극이나 S극에 가까이 놓는다. 극 가까이 갈수록 자기장의 세기가 커지므로 더 큰 힘을 받아 잘 굴러간다.
3. 유도 전동기 만들기
원래 알루미늄은 자석에 붙지 않는데, 알루미늄 원판을 물에 띄우고 자석을 가까이 하면 알루미늄 원판이 움직입니다. 이것은 자석이 가까이 오거나 멀어질 때 알루미늄 원판에 자기장의 변화를 막으려는 방향으로 유도전류가 생기기 때문이죠(전자기유도현상)
유도 전동기에서도 교류가 흐르는 코일로부터 시간에 따라 변하는 자기장이 형성되고 이러한 자기장의 변화를 줄이는 방향으로 원판에 유도전류가 흘러 계속 회전하게 되는 거예요.
• 준비물
코일 교류전원 알루미늄판 철사
• 실험방법
감겨 있는 코일에 교류전원을 연결하고 알루미늄 원판을 코일 중앙에 놓이도록 한 뒤 원판을 살짝 돌려주면 알루미늄 원판은 계속 회전한다.
