[안현정선생님의 과학은 껌이다] Part05. 전자기 유도의 발견

안녕하세요. 과학 교육 전문가 안현정입니다.
빠르게 요금을 내고 통과하는 고속도로의 하이패스, 버스에 타며 찍는 교통카드, 물건을 살 때 붙어있는 도난방지 택, 물건을 결제하는 신용카드까지. 어떠한 코드도 전원도 연결되지 않는데 어떻게 요금이 정산되고, 도난을 방지할 수 있는지 궁금하지 않나요? 일상생활의 예와 함께 전기와 자기의 비밀스런 관계를 알아봅시다.

[전자기 유도의 발견]

자석의 주위에는 자석의 힘이 미치는 공간이 만들어집니다. 우린 이것을 자기장이라고 부릅니다. 1800년대 초까지만 해도 우리는 자기장이 자석에만 국한되는 이야기라고 생각했습니다. 그러나 1820년 덴마크의 과학자 외르스테드의 발견으로 우리는 전기와 자기의 연관성을 알게 됩니다.

외르스테드는 어느 날 전류 실험을 하던 도중 이상한 현상을 발견합니다. 바로 전류가 흐르는 도선 근처에서 나침반이 자기장의 영향을 받듯이 움직였던 것입니다. 이로써 전류가 흐르면 주변에 자기장을 형서하게 된다는 것을 발견하게 되었습니다.

이 결과는 이듬해 패러데이에게 재미난 호기심을 하나 안겨주었습니다. 바로 ‘ 전류가 자기장을 만든다면, 반대로 자기장으로도 전류를 만들 수 있지 않을까’라는 것입니다. 그 후 패러데이는 여러 실험을 통해 자기장을 움직여 전류를 얻어내는데 성공했습니다. 패러데이의 실험과 이 실험이 오늘날 실생활에 미치는 예가 무엇인지까지 함께 만나봅시다.

패러데이의 실험 : 전자기 유도

[전자기 유도]
: 코일을 통과하는 자기장이 변할 때 코일에 전류가 유도되어 흐르는 현상.

[실험 방법]
1. 원형코일과 검류계가 연결된 장치를 준비한다.
2. 막대자석을 이용하여 자기장을 변화시키며 검류계의 바늘의 이동을 확인한다.

[실험 결과]
-유도 전류에 의한 자기장의 방향은 자석의 움직임을 방해하는 방향으로 움직인다.
-유도 전류의 방향은 코일을 통과하는 자기장의 변화를 방해하는 방향으로 움직인다.
-자석을 가까이 할 와 멀리할 때 검류계의 바늘의 방향을 통해 교류전류를 확인할 수 있다.

1. N극을 가까이, 멀리 할 때
- N극을 가까이 하는 경우, 코일의 윗부분이 N극으로 유도되어 검류계의 바늘이 오른쪽으로 움직인다.
- N극을 멀리 하는 경우 코일의 윗부분이 S극이 유도되어 검류계의 바늘이 반대방향으로 움직인다.

2. S극을 가까이, 멀리 할 때
-S극을 가까이 하는 경우, 코일의 윗부분이 S극으로 유도 되어 검류계의 바늘이 왼쪽으로 움직인다.
-S극을 멀리 하는 경우 코일의 윗부분이 N극이 유도되어 검류계의 바늘이 반대방향으로 움직인다.

3. 자석을 움직이지 않을 때
- 자기장의 변화가 없기 때문에 유도 전류는 흐르지 않는다.
전자기 유도의 예 - 교통카드

교통카드는 반도체 칩과 코일로 이루어져 있다. 반도체 칩에는 결제와 충전등의 정보가 저장되어 있고, 코일은 이 정보를 이용할 수 있도록 전류를 흐르게 만드는 역할을 한다.

코일에 전류를 흐르게 만드려면 코일 내부에 자석을 움직여 자기장을 변화하게 만들어야하는데, 우리는 움직이는 자석을 이용하는 대신, 카드 속 코일에 직접적으로 교류전기를 흘려보낸다.

이 교류 전기는 교통카드를 찍는 단말기 내에서 지속적으로 흐르고 있다. 계속해서 바뀌는 자기장이 교통카드 속 코일과 들어맞게 되면, 코일 내부에는 전류가 흐르게된다. 이 전류가 반도체 칩 내의 축전기(전기에너지를 저장하는 장치)에 모여지게 되면 이를 이용해 반도체 칩의 정보가 작동하게 된다.

전자기 유도의 예 - 도난 방지 택

의류에 부착되어 있는 상품 택이나 CD류를 감싸고 있는 케이스 내에는 자석이 들어 있다.
자석이 움직임에 따라 생기는 유도 전류를 통해, 도난방지 장치는 소리와 불빛을 발생시킬 수있다.


출처=이투스me 안현정 강사

동아닷컴 교육섹션 정민아 기자 mina@donga.com