1. 미니 회전목마 만들기
자석 사이에 작용하는 힘을 이용해 페트병으로 미니 회전목마를 만들어 보자.
■ 왜 그럴까?
이 회전 목마는 자석 사이에 작용하는 힘인 자기력을 이용한다. 회전목마의 자석이 전자석에 가까워지면, 못과 자석 사이에는 인력이 작용하면서 당겨진다. 자석이 못을 지나서 리더스위치에 도달하면 스위치가 닫히면서 전류가 흐른다. 이때 전자석의 극은 자석과 같은 극이 되도록 했으므로 척력이 작용해 밀어낸다. 그 힘이 약해질 때쯤 다음 자석이 도착해 같은 과정을 반복한다.
리더스위치는 작은 플라스틱관 안에 두 개의 얇은 금속판이 미세한 틈을 두고 떨어져 있는 구조를 하고 있다. 이 금속판은 플라스틱관 양쪽으로 바깥부분까지 이어져 있다. 한쪽 금속판 가까이 자석을 대면 두 금속판이 붙으면서 스위치 역할을 한다. 마치 자석에 클립이 줄줄이 이어져 붙는 것과 같은 원리다. 이러한 리더스위치는 자기장의 변화에 반응하는 것으로 도난방지장치에 쓰인다.
신과람 박사의 실험파일
1. 나무판 대신 여러 장의 하드보드지를 겹쳐서 두껍게 만들어도 된다.
2. 전자석을 만들 때 에나멜선을 촘촘히 감는 것은 매우 중요하다.
3. 꼬마전구는 전류의 흐름을 확인하기 위한 것이므로 제외해도 관계 없다.
보너스실험 - 파도 타는 포일
자기장 속에 놓인 알루미늄 포일이 파도타기를 연출할 수 있는 원리는 무엇일까.
■ 왜 그럴까?
자석의 힘이 미치는 영역을 자기장이라고 한다. 자기장의 방향은 N극에서 S극으로 향한다. 자기장 안에 전류가 흐르는 도선을 놓으면 도선은 힘을 받아 움직인다. 그 힘의 크기는 전류의 세기, 자기장의 세기 그리고 전류와 자기장의 방향에 따라 달라진다. 전류의 방향과 자기장의 방향이 직각일 때 힘이 가장 크고, 평행일 때는 힘을 받지 못한다.
이 힘의 방향은 플레밍의 왼손법칙으로 알아낼 수 있다. 왼손의 세 손가락을 서로 직각이 되도록 펼쳤을 때, 둘쨰 손가락이 자기장의 방향, 셋째 손가락이 전류의 방향을 가리키도록 하면 엄지손가락이 힘의 방향이 된다. 첫번째 실험과정에서 전류는 왼쪽에서 오른쪽으로 흐르고 있다. 자석은 앞쪽이 N극, 뒤쪽이 S극이므로 자기장은 앞쪽에서 뒤쪽으로 향한다. 플레밍의 왼손 법칙에 의해 포일은 위로 향하는 힘을 받아 움직인다. 자석의 극을 바꾸면 아래쪽으로 움직이고, 전류의 방향을 바꿔도 힘의 방향이 바뀐다. 따라서 자기장의 방향이 반대인 말굽자석을 번갈아 배치하면 파도 타는 포일을 연출할 수 있다.
신과람 박사의 실험파일
1. 알루미늄 포일을 자를 때 칼보다는 가위를 사용하는 것이 편리하다.
2. 포일의 움직임은 포일의 폭이 좁을수록 분명하게 나타난다.
3. 꼬마전구는 전류의 흐름을 확인하기 위한 것이므로 회로에 연결하지 않아도 된다.
2. 꼬마 전동기 만들기
세탁기나 선풍기에 쓰이는 큰 것에서부터 삐삐나 핸드폰의 진동을 일으키는 작은 것까지 우리 주변에서 쓰이는 전동기의 용도는 다양하다. 꼬마전동기를 만들어 전동기의 원리를 알아보자.
■ 왜 그럴까?
자석의 자기장 안에 있는 전류가 흐르는 원형 코일은 힘을 받아 회전한다. 이것은 전류가 흐르는 포일이 자기장 안에 놓이면 힘을 받는 것과 같은 원리다. 전동기의 코일은 원형이므로 위, 아래 전류의 방향이 반대이다. 자석의 자기장은 한 방향이므로 받는 힘은 반대가 돼 회전한다.
하지만 그 힘으로 한바퀴를 회전할 수는 없다. 원형자석과 코일이 수직을 이루고 있을 때 힘을 받아 회전하다가, 반 바퀴 돌아서 오면 코일은 반대의 힘을 받아 멈추어버린다. 이때 전류가 흐르지 않는다면 힘은 없어지고 관성에 의해 회전할 수 있다. 그래서 한쪽은 반만 벗겨 놓는 것이다. 그 단계를 넘기고 나면 전류가 다시 흐른다. 이것이 전동기의 기본 원리다.
전동기에는 직류전동기와 교류 전동기가 있다. 직류전동기에는 정류자라는 것이 있어서 반바퀴 회전할 때마다 전류의 방향을 바꿔 준다. 가정에서 사용하는 선풍기에 있는 전동기는 교류전동기로 1초당 수십회 전류의 방향이 바뀌므로 따로 정류자를 쓸 필요가 없다.
