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자석과 전지에 의해 소금물이 뱅글뱅글 돈다면 믿을 수 있을까요? 소립자 물리학에서 사용하는 커다란 입자가속기의 원리도 바로 여기서 비롯되는데, 자연의 신비는 참으로 오묘하고도 절묘하기만 합니다.
준비물
원형자석, 건전지, 도선, 금속봉, 샬레, 알루미늄 호일, 소금
실험방법
① 샬레에 물을 반 정도 붓고 소금을 넣어 잘 젓는다.
② 샬레 주변을 알루미늄 호일로 감싸준다.
③ 샬레를 원형자석 위에 올려놓는다.
④ 건전지의 (-)극을 알루미늄 호일에 연결하고 (+)극을 금속봉에 연결해 살레의 중심부에 놓으면 소금물이 작은 거품을 내면서 금속봉을 중심으로 뱅글뱅글 돌게 된다.
⑤ 도는 것이 잘 보이지 않으면 소금을 조금 더 넣어주거나 스티로폴 조각을 띄워 본다.
입자가속기 원리도 여기서 비롯
자기장 속에서 전기를 띤 입자(전자, 이온 등)가 운동을 하면 힘(로렌츠 힘이라고 한다)을 받아서 일정한 궤도를 도는 원운동을 하게 됩니다. 이는 자기장 속에서 전류가 흐르는 도선이 힘을 받아 도는 전동기의 원리와 같습니다.
이 실험에서 자기장은 원형 자석에 의해 만들어지고 이 자기장은 샬레를 수직으로 뚫고 지나갑니다. 소금물은 전해질로 ${Na}^{+}$이온과 ${Cl}^{-}$이온이 녹아 있어 전지에 연결하면 ${Na}^{+}$이온이 (+)극에서 (-)극으로 이동합니다.
즉 한쪽 극으로부터 다른 극으로 일정한 속력을 가지고 이동할 때 자기장에 의해 힘을 받아 뱅글뱅글 원궤도를 그리며 돌게 되는 것이지요. 전지의 전압이 센 것을 사용하거나 자력이 센 자석을 사용하면 소금물이 더 빨리 회전하며, 극을 바꾸면 ${Na}^{+}$이온의 운동방향이 바뀌어 회전방향도 반대가 됩니다. (+)극에서 거품이 발생하는 것은, 염소(${Cl}^{-}$)이온)이 (+)극으로 끌려가서 기체가 발생하기 때문이지요.
자기장 속에서 운동하는 전하가 힘을 받아 원운동을 한다는 원리를 이용한 장치가 입자가속기입니다 . 입자가속기는 아주 작은 입자(전자와 같은)를 자기장에 의해 고속으로 원운동시켜 큰 운동에너지를 갖게 함으로써 다른 입자와 충돌시켜 새로운 입자를 찾아내는 소립자 물리학에서 이용하고 있습니다. 입자가속기의 한 예로 사이클로트론이라는 것이 있는데, 위와 같은 실험에서 소금물의 원운동을 사이클로트론 운동이라고 할 수 있습니다.
구리로 코일을 만드는 이유
지구상에 있는 물체를 자유낙하시키면 그 물체는 지구 중력에 의해 점점 속력이 증가하면서 직선으로 떨어집니다. 강력자석도 마찬가지지요.
그러나 알루미늄관이나 구리관 속으로 떨어뜨리면 자석이 천천히 떨어지는데, 그 속력이 점점 빨라지지 않고 거의 일정한 속력으로 떨어집니다. 자석은 물론 구리나 알루미늄에 붙지 않습니다. 그러면 왜 이런 현상이 일어날까요?
구리나 알루미늄은 자석에 붙지 않지만 자석이 그 속으로 운동하는 경우 유도기전력이 발생, 자석의 운동방향과는 반대방향으로 힘이 작용하기 때문입니다. 따라서 그 힘이 중력과 거의 비길 정도가 되면 자석은 힘의 평형으로 인해 일정한 속력을 가지고 천천히 떨어지게 됩니다.
이는 발전기의 원리와 비슷하다고 할 수 있습니다. 발전기는 코일 속에서 자석이 움직일 때 코일에 유도전류가 흐르는 원리를 이용해 만든 것이지요.
구리나 알루미늄관 속으로 운동하는 자석에 의해서도 유도전류(유도기전력)가 발생하고 이 유도전류는 자석의 운동을 방해하는 방향으로 생겨서 자석이 등속력운동을 하게 됩니다. 다시 말하면 구리나 알루미늄관을 코일이 길게 원통형으로 감은 것으로 생각하면 됩니다.
실험을 해보면 알루미늄관보다 구리관에서 자석이 더 천천히 떨어지는데, 이것은 구리에서 발생하는 유도기전력이 더 크기 때문입니다. 코일을 대개 구리로 만드는 것은 이와 같은 이유 때문이지요. 강력자석을 사용하는 이유는 역시 더 큰 유도기전력을 얻기 위해서입니다.
보너스 실험
천천히 떨어뜨리기
준비물
구리관 알루미늄관 강력자석
실험방법
① 강력자석을 일정한 높이에서 자유낙하시킨다. 이때 자석이 닿는 부분에 부드러운 헝겊같은 것을 놓아 자석이 깨지지 않도록 한다. ② 알루미늄관 속으로 강력자석을 자유 낙하시킨다. ③ 구리관 속으로 강력자석을 자유낙하시킨다.
