[理知논술/교과서로 논술 잡기]과학영역

주제: 전기와 자기

킥보드 바퀴 돌 때 불이 깜박깜박… 자기원리로 설명하라

▨ 제시문

[패러데이의 전자기 유도]

1831년 영국의 과학자 마이클 패러데이(1791∼1867)는 원형 코일 두 개를 감고, 한쪽 코일에는 전지, 다른 쪽 코일에는 검류계를 연결하여 실험을 하던 중, 무심코 한쪽 코일에 연결된 전원의 스위치를 닫을 때와 열 때, 다른 쪽 코일에 연결된 검류계의 바늘이 움직이는 것을 관찰하였다.

그는 이 현상을 여러 가지로 조사하여 코일 하나를 검류계에 연결하고 막대자석을 코일에 넣었다 뺐다 해도 검류계의 바늘이 움직이는 것을 관찰하고, 이 두 현상 사이에 어떤 관계가 있는지를 연구하였다. 처음 실험에서 전원의 스위치를 닫고 여는 것과 두 번째 실험에서 자석을 움직이는 것은 서로 어떤 관계가 있을까?

패러데이는 전류의 자기 작용으로 전류가 흐르는 도선은 자석과 같은 자기장을 만듦으로써 스위치를 닫고 열어 전류가 강해졌다 약해졌다 하는 것은 자석을 가까이 하거나 멀리 하는 것과 똑같은 현상이라고 생각하였다. 그는 이 두 가지 현상은 같은 원리가 적용된다고 생각하여 도선 주위의 자기장의 변화가 도선에 전류를 발생시킨다고 결론지었다. 이것이 전자기 유도 법칙으로 오늘날 전기 문명의 기초가 되는 현상이다.[금성출판사 물리1 교과서 127쪽]

▨ 제시문 분석

코일의 양 끝에 검류계를 연결하고 자석을 코일에 가까이 했다 멀리 했다 하면 검류계의 바늘이 흔들린다. 즉 전기가 흐르고 있는 것이다. 전류의 크기는 자석을 움직이는 속도가 빠를수록 크고, 전류의 방향은 가까이 할 때와 멀리 할 때 반대가 되며, 또 N극과 S극에서도 반대가 된다. 이처럼 자계의 변화에 의해 도체에 기전력이 발생하는 현상을 전자유도라고 하며 이 기전력을 유도기전력, 흐르는 전류를 유도전류라고 한다. 유도기전력의 크기에 관해 패러데이는 ‘유도기전력은 코일을 관통하는 자력선이 변화하는 속도에 비례한다’는 사실을 알아냈다. 이것을 패러데이의 전자유도의 법칙이라고 하는데 이 법칙이 근거가 되어 발전기나 변압기도 발명할 수 있었던 것이다.

▨ 교과서 문제

킥보드 바퀴의 구조는 그림과 같이 킥보드 바퀴를 고정시키고 있는 나사 주위에는 N극과 S극이 있는 영구 자석이 원을 그리며 장치되어 있다. 바퀴가 움직이더라도 영구 자석은 바퀴의 축과 연결되어 있어서 움직이지 않고 영구 자석 주위를 코일을 감은 철심이 돌게 된다. 바퀴를 밀어 돌게 될 때 불이 켜지는 이유를 설명해 보시오.[금성출판사 물리1 교과서 136쪽]

▨ 문제설명

킥보드 바퀴를 고정시키고 있는 나사 주위에는 N극과 S극이 있는 영구자석이 바퀴 축과 꽉 물려 있다. 철심에 구리선을 감은 부품이 바퀴와 같이 돌게 되어 있다. 회전축에 있는 자석이 킥보드의 속도만큼 빠르게 회전하며 전기를 만든다. 전선을 통해 여러 가지 색의 발광다이오드(LED)로 연결돼 있으며 야간에 킥보드를 타는 사람의 안전에도 많은 도움을 준다. 킥보드의 발광 바퀴는 그림과 같이 가운데 부분에 N극과 S극이 연속적으로 배열된 자석이 축에 고정되어 있다. 회전축에는 빨강, 노랑, 파랑의 LED와 연결된 코일에 둘러싸인 철심이 있어 바퀴가 회전하면 코일이 자기장을 끊는 역할을 하여 순간순간 발생되는 전기로 LED를 점등하는 것이다.

▨ 제시문

[마이크는 어떻게 소리가 날까?]

마이크는 변환방식에 따라 크게 다이내믹 마이크와 콘덴서 마이크로 나뉜다.

무빙 코일형 마이크로폰은 일반적으로 다이내믹 마이크라고 부른다. 다이내믹 마이크는 얇은 알루미늄 코일에 연결되어 있는 가벼운 다이어프램과 영구자석으로 구성되어 있다. 음원에서 음파가 발생하면, 음압에 따라 마이크의 다이어프램이 앞뒤로 움직이게 된다. 그러면 다이어프램과 연결되어 있는 코일이 함께 움직이게 되고, 이때 영구자석과 코일 사이에 자기장이 형성되어 코일을 따라 전압이 발생하게 된다. 다시 말해 입력되는 음압을 코일과 자석 사이의 자기장을 이용해 전기적인 신호로 변환시키는 것이 다이내믹 마이크이다.

콘덴서형 마이크는 정전 용량형이다. 각종 원리의 마이크 중에서 기계적으로 가장 단순하면서도 음질이 가장 좋은 마이크이다. 콘덴서 마이크는 진동판이 얇고 트랜전트가 매우 민감하기 때문에 소리의 세밀한 변화에도 신속하게 적응하여 주파수 특성이 우수하며 높은 고음까지 부드럽게 전달한다. 그래서 콘덴서 마이크를 사용하면 드럼과 심벌즈와 같이 날카로운 소리나 기타 각 현의 민감한 소리도 정확하게 재현할 수 있다. 또한 모든 콘덴서 마이크에는 일반 마이크 입력 신호에 출력신호가 매치되도록 해주는 부가적 회로가 포함되어 있어서 모든 콘덴서 마이크는 건전지나 ‘팬텀파워’(마이크 자체 케이블을 통해 전원을 공급하는 방법)로 일정량의 전원이 공급되어야 한다.

콘덴서 마이크를 사용할지, 다이내믹 마이크를 사용할지를 결정하는 요인은 음원과, 신호가 도달하는 최종 위치뿐 아니라 마이크의 설치 방법에 달려 있다. 실무적인 견지에서 볼 때, 만약 마이크를 큰 강당이나 실외와 같이 열악한 환경에서 사용할 것이라면 다이내믹 마이크를 사용하는 편이 나을 것이고 사원, 소규모 강당, 또는 극장과 같이 음향 환경을 조절할 수 있는 곳에서는 몇몇 음원에 대해 고품격의 음질이 요구되는 경우 콘덴서 마이크를 사용하는 것이 좋다.

▨ 통합 교과형 문제

[문제 1] 다이내믹 마이크가 콘덴서 마이크보다 나은 장점을 서술해 보시오.

[문제 2] 콘덴서 마이크의 단점을 설명해 보시오.

허균 청솔 아우름 통합논술 강사