⑪ 전자기 유도

움직이는 자석이 전기를 만든다고?

전기는 전하를 띤 입자의 움직임에서 비롯됩니다. 전하는 양전하와 음전하로 나뉘며, 같은 전하를 띠는 물질들은 서로 밀어내고, 다른 전하를 띠는 물질들은 서로 끌어당깁니다. 특히 금속과 같은 도체에서는 음전하를 띤 전자들이 자유롭게 움직일 수 있는데 이 전자들이 일정한 방향으로 흐르는 것을 전류라고 합니다. 즉 전기는 특정한 물질이 아니라 전하를 띠는 입자의 이동과 그에 따른 에너지의 흐름인 것이죠.

편집자 주

2028학년도부터 모든 수험생이 수능을 치르는 ‘통합과학’은 물화생지의 기초 개념을 하나의 흐름으로 엮어 과학적 사고력을 기르는 과목입니다. ‘통합과학 사용설명서’는 통합과학에서 꼭 알아야 할 핵심 개념을 짚고, 이를 실제 문제나 과학 기사 속 사례에 어떻게 적용할 수 있는지 알려드립니다.

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전하를 띤 입자가 움직이면 그 주위에는 자기장이 형성됩니다. 사실 아주 오래전 과학자들이 전기와 자기를 연구하던 시절에는 이 두 현상이 서로 관련 없는, 전혀 다른 힘이라고 생각했습니다. 프랑스의 물리학자 샤를 드 쿨롱은 전하 사이의 힘이 전하량의 곱에 비례하고, 두 전하 사이 거리의 제곱에 반비례한다는 ‘쿨롱의 법칙’을 확립했지만, 한때는 전기력과 자기력이 서로 완전히 다른 종류의 힘이라는 것을 증명하기 위한 가열 실험까지 진행했습니다.

그로부터 약 20년이 지난 후, 덴마크의 물리학자 한스 크리스티안 외르스테드는 전류가 흐르는 도선 근처의 나침반 바늘이 움직이는 현상을 우연히 관찰했습니다. 이를 통해 그는 전류가 자기장을 만들어낸다는 사실을 처음으로 발견했습니다. 이 발견은 전자기학의 출발점이 됐습니다. 여러 연구자를 거치며 전기력과 자기력이 실은 한 근원에서 비롯된 힘이라는 것이 밝혀졌죠. 훗날 이 두 힘은 전자기력으로 통합됐습니다.

김태영 쌤의 통합과학,

이것만은 꼭!

유도 전류는 자기장의 변화를 상쇄하려는 방향으로 발생합니다. 코일에 자석을 가까이 하거나 멀리 할 때 유도 전류가 어떤 방향으로 흐르는지 판단할 수 있어야 합니다.

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자석 주변에는 N극에서 나와 S극으로 향하는 곡선 형태의 자기력이 드러나는데, 전류가 흐르는 코일에서도 비슷한 형태가 형성된다. 코일 내부에는 축 방향으로 균일한 자기장이 만들어지며, 그 방향은 전류 흐름에 따라 달라진다. 전류 방향으로 오른손 네 손가락을 감았을 때 엄지손가락이 가리키는 쪽이 내부 자기장의 방향이 된다.

변하는 자기장이 전류를 만들다

외르스테드의 발견 이후, 많은 과학자들은 ‘전류가 자기장을 만들 수 있다면, 그 반대로 자기장이 변하면 전류가 생길까?’라는 의문을 품었습니다. 이 질문에 답을 찾은 사람은 영국의 과학자, 마이클 패러데이였습니다. 패러데이는 자석을 코일 안으로 넣거나 빼는 실험을 통해 놀라운 사실을 발견했습니다. 자석이 코일에 가까워지거나 멀어질 때, 즉 코일을 통과하는 자기장이 변할 때 코일에 전류가 흐른다는 것이었습니다. 이 현상을 ‘전자기 유도’라고 하며, 이때 생기는 전류를 유도 전류라고 부릅니다.

유도 전류는 렌츠의 법칙에 따라 자기장의 변화를 방해하는 방향으로 흐릅니다. 자기장의 방향은 한 지점에 자석을 놓았을 때 그 자석의 N극이 가리키는 방향으로 정의됩니다. 자석 주변에 쇳가루를 뿌려보면 쇳가루가 N극에서 나와 S극으로 들어가는 모양의 자기장 형태를 볼 수 있습니다. 이렇게 자기장의 모양을 시각적으로 나타낸 선을 자기력선이라고 합니다. 자석 내부에서는 자기력선이 S극에서 N극을 향하는 방향으로 이어져, 자기력선은 전체적으로 폐곡선을 이룹니다. 전류가 흐르는 코일 주변에도 자석의 주변과 같은 자기장이 생깁니다. 특히 코일 내부에는 코일 축에 나란한 방향의 균일한 자기장이 만들어지며, 그 방향은 전류의 흐름에 따라 달라집니다. 오른손의 네 손가락을 코일을 따라 전류가 흐르는 방향으로 감아쥔다고 생각하면, 엄지손가락이 향하는 방향이 바로 코일 내부 자기장의 방향입니다.

코일 속에서 일어나는 에너지의 균형

이제 코일 주변에 자석의 N극이 가까워지는 상황을 생각해 봅시다. 자석의 N극이 접근하면 코일을 통과하는 자기장의 세기가 증가하므로, 코일은 이 변화를 막기 위해 N극을 밀어내는 자기장이 형성되는 방향으로 전류를 흐르게 합니다. 반대로 자석이 멀어질 때는 자기장이 약해지므로, 코일은 N극을 끌어당기는 방향의 자기장이 형성되는 방향으로 전류를 흐르게 합니다.

이러한 현상은 에너지 보존 법칙으로 설명할 수 있습니다. 자연은 에너지가 갑자기 생기거나 사라지지 않도록 에너지의 균형을 지키기 위해 변화에 저항합니다. 즉 자석을 코일에 가까이했을 때 코일이 이 자석을 밀어내는 것은, 자기 에너지가 갑자기 증가하는 것을 막기 위한 자연스러운 현상입니다.

한편 유도 전류의 세기도 상황에 따라 달라집니다. 전자기 유도로 생기는 전압을 유도 기전력이라고 하며, 유도 기전력이 클수록 코일에 흐르는 전류의 세기도 커집니다. 코일의 감은 수가 많을수록, 자기장의 세기가 강할수록 그리고 자석이 빠르게 움직일수록 더 큰 유도 기전력이 생겨서 더 강한 전류가 만들어집니다.

이와 같은 전자기 유도 현상이 바로 발전기의 원리입니다. 실제 발전소의 발전기에는 고정된 코일의 중심부에 자석이 회전하도록 되어 있습니다. 자석이 회전하면 코일을 통과하는 자기장이 계속 변하고, 이 변화로 지속적인 유도 전류가 만들어집니다.

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다양한 기계와 발전기 내부에는 회전하는 자석이 있다. 이 자석의 회전에 따라 전자기 유도 현상이 일어나고, 여러 형태의 에너지가 전기 에너지로 변환된다.

자연의 힘으로 자석을 돌리다

그렇다면 발전기 속 자석은 어떤 에너지를 이용해 회전할 수 있는 것일까요? 다양한 에너지가 자석의 회전에 사용될 수 있으며, 이때 사용된 에너지원에 따라 발전 방식이 구분됩니다. 한국에서는 주로 화력 발전과 원자력 발전을 통해 전기를 생산합니다. 화력 발전은 화석 연료를 연소시켜 발생하는 열을, 원자력 발전은 우라늄이 핵분열을 일으킬 때 발생하는 열을 각각 물을 끓이는 데 사용하고 이렇게 생성된 고온, 고압의 수증기를 이용해 자석을 회전시킵니다.

최근에는 지속 가능한 에너지원을 이용한 발전 방식이 활용되고 있습니다. 그 대표적인 예가 수력 발전과 풍력 발전입니다. 수력 발전은 지형을 이용한 것으로 높은 곳에 있던 물이 아래로 떨어질 때의 위치 에너지를 이용해 자석을 회전시킵니다. 풍력 발전은 바람의 운동 에너지를 이용해 자석을 회전시킵니다. 이처럼 다양한 에너지가 전자기 유도 원리를 통해 전기를 만들어내고 있습니다.

김태영

서울대 생물교육과를 졸업하고, 같은 대학 교육학과에서 교육 평가 전공으로 석사 학위를 받았다. 교육학과 생물학의 융합적 시각을 바탕으로 강대수능연구소 과학연구실 책임연구원을 지냈고, 현재는 대치 두각학원과 대성 마이맥에서 통합과학 및 생명과학 강사로 활동 중이다.

통합과학 개념 실전 탐구

Q.그림 (가)는 자석 N극을 검류계를 연결한 코일 위에서 움직이는 모습을, 그림 (나)는 자석과 코일 윗면 사이의 거리를 시간에 따라 나타낸 것이다. 옳은 설명에는 ‘○’를, 옳지 않은 설명에는 ‘×’를 표시하시오.

① 2초일 때와 7초일 때 유도 전류의 방향은 서로 반대다. ( ○, × )
② 유도 전류의 세기는 1초일 때가 7초일 때보다 크다. ( ○, × )
③ 5초일 때는 유도 전류가 흐르지 않는다. ( ○, × )
④ 더 센 자석을 이용해 같은 실험을 하면 유도 전류의 최댓값이 커진다. ( ○, × )

A.정답 : ○, ×, ○, ○

해설(1) 2초일 때는 자석의 N극이 코일에 가까워지고, 7초일 때는 자석의 N극이 코일에서 멀어지므로 유도 전류의 방향은 서로 반대이다. (2) 자석이 빠르게 움직일수록 유도 전류의 세기가 세지므로 유도 전류의 세기는 7초일 때가 1초일 때보다 크다. (3) 5초일 때에는 자석이 움직이지 않는 상태이므로 유도 전류가 흐르지 않는다. (4) 자석의 세기가 셀수록 유도 전류의 세기가 세지므로 더 센 자석을 이용하면 유도 전류의 최댓값이 커진다.

Q.그림 (가)와 (나)는 발전기의 자석 사이에 놓인 코일이 회전하는 어느 한 순간의 모습을 나타낸 것이다. 옳은 설명에는 ‘○’를, 옳지 않은 설명에는 ‘×’를 표시하시오.

① (가)에서 코일을 통과하는 자기장의 세기가 감소한다. ( ○, × )
② 코일의 ab 부분에 흐르는 유도 전류의 방향은 (가)와 (나)에서 같다. ( ○, × )
③ 코일을 더 빠르게 회전시킬수록 더 많은 전기 에너지를 얻을 수 있다. ( ○, × )
④ 코일에 흐르는 유도 전류는 코일의 회전을 방해한다. ( ○, × )

A.정답 : ×, ×, ○, ○

해설(1) (가)에서 코일면을 수직으로 통과하는 자기장의 세기가 증가하고, (나)에서 코일면을 수직으로 통과하는 자기장의 세기가 감소한다. (2) (가)에서 자기장의 세기가 증가하므로 그림의 왼쪽이 N극이 되는 방향으로 전류가 흐르며, (나)에서 자기장의 세기가 감소하므로 그림의 왼쪽이 S극이 되는 방향으로 전류가 흐른다. 따라서 코일의 ab 부분에 흐르는 유도 전류의 방향은 (가)와 (나)에서 반대이다. (3) 코일을 더 빠르게 회전시킬수록 더 많은 전기 에너지를 얻을 수 있다. (4) 코일에 흐르는 유도 전류는 코일을 통과하는 자기장의 변화를 방해하는 방향으로 흐르기 때문에 코일이 회전하는 것을 방해한다.

과학기사로 개념 확장하기

①패러데이가 전자기유도를 발견하던 날(기사 클릭)

과학동아 1994년 1월호

“자석도 원자 내부의 전류 때문에 생기는 것이므로 자기력은 근본적으로 전류 사이에 작용하는 힘이다. 즉 N극과 S극 사이에 작용하는 힘은 전류 사이에 작용하는 힘의 다른 표현이라고 볼 수 있다.”

전류가 흐르면 자기장이 생기고, 변화하는 자기장이 다시 전류를 만들어 내는 것은 전동기와 발전기의 기본 원리입니다. 또한 상대론적으로 보면 자기력은 움직이는 전하들 사이의 정전기적 힘이 관성계에 따라 달리 관측되는 현상으로 이해할 수 있습니다.

② 소똥부터 물방울까지! 별별발전소(기사 클릭)

어린이과학동아 2015년 8월호

“1L 이상의 큰 용기에 자기유체를 가득 채우면, 직접 흔들거나 충격을 주는 방식으로 전류를 만들어낼 수 있다. 철가루가 들어 있는 자기유체 자체가 하나의 자석 역할을 하며, 그 속을 지나가는 공기방울이 자기장을 변화시키는 역할을 한다.”

기사를 통해 공기방울, 바람, 물방울, 식물, 심지어 똥과 오줌까지도 전기를 만드는 새로운 에너지원이 될 수 있다는 것을 알 수 있습니다. 이러한 발전 기술들은 모두 자연의 원리를 응용한 친환경 에너지로, 미래에는 다양한 방식으로 전기를 얻을 수 있음을 보여줍니다.

③ 쏠라 포스! 해를 품은 에너지(기사 클릭)

어린이과학동아 2012년 4월호

“태양으로부터 받은 에너지를 계산해 보면 곧장 반사되어 나가는 것을 제외하더라도 시간당 27만 GWh에 달한다. 한 시간 동안 지구에 들어오는 태양 에너지는 우리나라에서 1년 동안 가정용으로 사용하는 전기의 5배에 달한다.”

화석연료 고갈과 기후변화 문제를 해결하기 위해서 지속 가능한 에너지를 개발하는 것은 필수적입니다. 이 중 태양에너지는 자체로 전기를 생산할 뿐만 아니라, 해수담수화나 냉·난방에도 활용할 수 있습니다.