실험으로 함께하는  발명놀이

                                                         강성기 지음 / 도서출판 바른사


제 4 장   한 가지만 응용해도 

 


▶  구리판 위 자석의 공중비행

  코일 속에서 자석을 움직이거나 자석 속에서 코일을 움직이면 전류가 생깁니다.

  집이나 공장에서 사용하는 전기는 발전소에서 이와 같은 장치로 만들어져 가정과 공장으로 보내집니다.

  마찬가지로 구리판 위에 자석을 고정시키고 구리판을 회전시키면 전류가 발생합니다. 또, 회전하는 전류는 구리판에 수직 방향으로 자기장을 만들고 이 자기장이 자석을 밀어올리는 역할을 합니다. 다음의 놀이를 하면서 발전기와 전동기의 원리로 생각해 봅시다.

  

 

필요한 것은

지름 10cm 정도의 둥근 구리판, 소형 모터, 9V 전지 2개, 전선, 작은 강력 자석(네오디뮴 자석)

어떻게 할까요

 

[구리판 배를 물에 띄워 자석을 접근시켜 보자]
 

1. 구리판을 큰 가위로 잘라 그림과 같이 배 모양으로 만들자.

2. 만든 구리배를 수조의 물 위에 띄우자.

3. 그림과 같이 구리판에 자석의 극을 접근시켜 보자.

4. 그림과 같이 구리배에서 멀어지게 여러 번 반복하여 해보자.

 

5. 자석이 구리배 바로 위를 지나가게 여러 번 반복한다.

 

 

 

[구리판을 회전시켜 보자]

1. 구리판을 지름 10cm 정도 되게 둥근 원 모양으로 자른다.

2. 자른 둥근 구리 원판을 모터에 고정시킨다(구리원판의 중앙에 전동기의 프로펠러를 셀로판 테이프로 고정시키고 실리콘이나 글루건으로 단단히 접착시켜야 함.

3. 작은 막대의 중앙에 구멍을 뚫어 못을 넣는다.

4. 막대의 양쪽에 작은 네오디뮴 자석을 고정시킨다(이때 한쪽 끝의 네오디뮴을 가운데 부분으로 자리를 조금 옮겨 무게 중심을 이동시켜 기울어지게 한다),.

5. 무게 중심을 이동시켜 기울어진 쪽의 자석을 구리판 위에 살짝 올려질 수 있도록 장치한다(막대의 양끝에 매달려 막대가 기울어진 쪽의 자석을 구리판 위에 올려 구리판을 회전시켰을 때 작은 힘 만으로도 자석이 솟아오르게 하기 위함이다. 즉 힘의 균형을 적절히 안배하여 작은 힘만으로도 솟아오르는 현상을 관찰하기 위함이다).

생각해 볼까요?

(그림 1)과 같이 구리판에 자석의 극을 접근시키면 구리판이 순간적으로 밀려나게 됩니다.


자석이 가까이 접근되는 순간 자기장의 방향을 막으려는 방향으로 유도 전류가 생겨서 자석과 반대 방향의 자기장이 만들어져 구리판이 밀려나게 됩니다.

(그림 2)와 같이 반대로 자석을 멀어지게 해봅시다. 자석이 멀어지려는 순간 자기장을 늘리려는 방향으로 유도 전류가 생겨서 자석과 같은 방향의 자기장이 만들어져 구리판은 당겨오게 됩니다.

(그림 3)과 같이 자석이 구리판을 지나가게 되면 접근과 후퇴시 생기는 유도 전류로 인해 밀고 당겨지게 되어 구리판이 당겨져오게 되는 것입니다.

물 위에 띄운 구리판은 자석이 가까이 오거나 멀어져가면 구리판에 자기장의 변화를 막으려는 방향으로 유도 전류가 생기게 됩니다. 구리판이 돌아가면 위에 얹혀져 있던 자석이 서서히 공중으로 솟아오릅니다.

위의 실험에서는 약 1cm 정도 공중에 떠 있는 것을 볼 수 있습니다.

구리판은 전도체인 금속이므로 자석을 올려놓고 구리판을 움직이면 순간적으로 전류가 발생하는데 발전기의 원리를 생각하면 이해가 될 것입니다.

구리판이 회전하기 때문에, 구리판에 생긴 전류는 구리판과 함께 회전하게 되고 회전하는 전류는 구리판에 수직된 방향으로 자기장을 만들어 이 자기장이 자석을 밀어올리는 역할을 합니다. 자석을 밀어올리는 힘은 전동기를 돌리는 현상으로 설명할 수 있습니다.

구리판이 회전하면서 유도 전류가 형성되어 자석의 극과 같은 방향으로 자기장이 유도되어 자기력이 서로 대립하여 밀어내기 때문에 공중에 뜨게 됩니다.

9V 건전지를 사용하지 않고 직류 전원 아답타로만 실험 장치를 꾸민다면 각 주제별 실험 장치들을 어떻게 배열하는 것이 좋으며 전선 배선은 어떻게 하는 것이 효과적일까요? 또, 각 주제별 실험 장치들의 스위치는 어떻게 연결해야 할까요?

위의 장치를 한 세트로 꾸민다면 직류 전기와 교류 전기에 대한 이해는 충분히 이루어질 것입니다.

위의 전기 실험 장치들을 활용할 수 있는 방법을 연구해 보세요. 전기 펜으로 친구에게 보내는 편지를 쓰거나 예쁜 그림을 그려 친구에게 보내세요. 아름다운 색깔을 사용하여 더욱 화려하게 꾸밀 수도 있겠지요.

교류 전기의 소리 코일의 전선에 타이머를 부착하여 종소리가 울리도록 하는 장치로 활용한다면 어떨까요?

끌려오는 전기 -1차 코일 다발을 검은 종이에 감싸 보이지 않게 장치하고 2차 코일을 갖다대어 불이 이끌려 오는 마술 같은 장면도 생각할 수 있겠습니다. 물 속에서도 마찬가지겠지만.

구리판 위 자석의 공중 비행 - 구리판이 솟아오르면서 일정 위치까지 도달했을 때 접점을 연결하는 스위치 역할을 할 수도 있을 것 같습니다. 이 원리는 실제 두꺼비집, 즉 적산 전력계에 이용되고 있으며 전동기의 브레이크 장치에도 위의 원리들이 이용됩니다.