본 자료는 2004 - 2008년까지 이천중학교에서 과학선도학교를 운영하면서 개발한 자료입니다.
1. 활동준비
가. 준 비 물 : 전지(6V : 1개, 1.5V DM 2개), 네오디움 자석(지름 3cm, 두께 1cm : 10개), 에나멜선(굵기 0.3mm), 집게도선, LED(빨강, 파랑, 노랑 각 1개씩), 아크릴판, 땜납, 인두기, 1원짜리 동전 5개, 회로기판 1개, 플라스틱 우유통 또는 아크릴 관, 칼날 2개, 전지 끼우개(1.5V DM 2개), 글루건, 사포, 나무 막대
나. 구입방법 : 문구점, 과학상사, 전파사
다. 소요경비 : 약 60,000원 (단, 집게도선, 아크릴판, 인두기, 회로기판, 우유통, 전지 끼우개, 글루건, 사포는 가격에 포함시키지 않았음)
2. 탐구과정
가. 코일의 개구리 점프 - 건전지의 양 극에 집게도선을 연결하고 자석위에 놓인 코일의 움직임을 관찰합니다. 극을 바꿔 연결해 봅시다. 자석의 어느 면이 N극인지 알 수 있을까요?
나. 간단한 모터 - 면도날의 구멍으로 둥글게 감긴 코일을 잘 끼운 후, 코일을 살짝 건드려 봅시다. “ㄷ자” 모양의 한가닥 코일도 끼워봅시다. 왜 그런 운동을 할까요?
다. 회전하는 동전 - 1원짜리 동전을 회전판 중심 가까이 가져가고, 원판을 돌려봅시다. 원판의 방향을 바꿔가며 1원짜리의 움직임을 관찰합시다.
라. 킥보드 발광원리 - 코일이 감긴 우유통을 힘껏 빠르게 흔들어 봅시다. LED에 불이 켜집니까? 통 속에는 자석이 있고 건전지는 없습니다.
마. 내려가기 싫은 동전은 누구? - 1원짜리 동전 두 개를 각각 빗면위에서 그려진 방향으로 미끄러져 내려가도록 해 봅시다.
- 활동 그림 -
그림 1)-코일의 개구리 점프
그림 2)- 간단한 모터
그림3)-회전하는 동전
그림 4)-킥보드
3. 유의점
가. 에나멜모터가 처음부터 빠르게 회전하지 않는 이유를 설명해준다.
나. ㄷ자형 코일이 그네 운동하는 이유를 설명한다.
다. 킥보드의 바퀴에 불이 들어오는 경우를 예로 들어준다. 킥보드에는 전지가 들어있지 않고 바퀴를 굴릴 때만 불이 들어오는 것과 우유통 속의 자석을 흔들어 자석과 코일의 상대적 운동이 있을 때 LED에 불이 들어오는 것을 연관지어 설명한다.
라. 1원짜리 동전은 자석과 접촉되지 않도록 하며, 자석과 동전이 약간 어긋나 있도록 한다.
4. 과학적 원리
가. 도선에 전류가 흐르면 도선 주위에 자기장이 생깁니다. 전류의 방향과 자기장의 방향을 오른나사의 회전으로 알 수 있으며, 자기장 속에서 전류가 흐르는 도선이 받는 힘을 전자기력이라고 합니다. 집게도선으로 전지의 극을 바꿔 연결하면 전류의 방향이 변하고, 그에 따라 자기장의 방향도 변합니다. 이 실험으로 자석의 극을 알 수 있습니다.
나. 전자기유도의 발견 :
변하는 자기장과 이로 인해 생기는 전기장 사이의 양을 결정하는 관계 법칙. 1831년 영국의 과학자 마이클 패러데이가 실험을 통해 전개했다. 패러데이는 전자기 유도 현상을 처음으로 깨닫고 연구했으며, 유도법칙을 이용해 이 현상을 정량적으로 표현했다.
전기 회로를 열거나 닫으면 회로에 연결된 전자석 주위의 자기장이 커지거나 사라지며, 이때 가까이 있는 도체에 전류가 흐른다. 영구 자석을 코일에 넣었다 뺐다 해도 코일 도선에 전류가 유도되며, 영구 자석을 고정시키고 도체를 움직여도 도체에 전류가 흐른다.
패러데이는 자기장이 많은 유도선(誘導線)으로 이루어져 있고, 나침반의 바늘이 이 유도선의 방향을 가리킬 것이라고 생각했다. 이러한 면적을 통과하는 유도선 다발을 자기력선속이라 한다. 패러데이는 자기력선속이 변하기 때문에 전기 효과가 생긴다고 생각했다.
몇 년 후 영국의 물리학자 제임스 클럭 맥스웰은 자기력선속이 변하면 도체 안에서뿐만 아니라 전하가 없는 공간에서도 전기장이 생긴다고 발표했다. 도체 안에서는 유도된 전기장이 전하를 움직여서 도체에 전류가 흐르게 된다. 맥스웰은 자기장의 변화와 유도 기전력(E 또는 emf로 표시) 사이의 관계를 수식으로 나타냈다.
패러데이의 유도법칙(패러데이의 법칙과 구별하기 위해 이렇게 부름)에 따르면, 회로에 유도된 기전력은 회로를 지나는 자기장의 변화율에 비례한다. 자기장 변화율을 Wb/s의 단위로 나타내면 유도 기전력의 단위는 V(볼트)가 된다.
다. 전류가 자기장 속에서 받는 힘을 이용하여 전기에너지를 회전운동에너지로 바꾼 것이 모터(전동기)입니다. 전류의 방향, 자기장의 방향으로 코일이 받는 힘의 방향을 찾을 수 있습니다.
라. 움직이는 자기장 속에 도체를 두면 도체안에서는 소용돌이 전류(맴돌이전류)가 유도됩니다. 맴돌이 전류가 렌츠의 법칙에 의해 자기장의 변화에 대항하는 방향으로 생기기 때문에 1원 짜리 동전은 자석의 회전 방향과 같은 방향으로 돌게 됩니다.
5. 참고자료
- 참고도서
수학없는 물리(폴휴이트 저)
갈릴레오 스튜디오의 과학놀(다키가와 요오지 외 14명 저)
알기쉬운 물리학 강의(폴휴이트 저)
- 관련사이트 : 물리나라(http://moolynaru.knu.ac.kr/)
국립중앙과학(http://www.science.go.kr/)
- 유사 실험 소개-
제목 : 상호유도를 이용하여 전구에 불 켜기
1) 공간을 사이에 두고 한쪽 코일의 전류를 변화시키면 다른 코일에 유도 전류(기전력)가 생기는 상호 유도 현상을 응용한 실험입니다.
2) 에나멜선을 여러번 감은 솔레노이드에 교류 전류를 흐르게 합니다.
(20볼트 교류 트랜스 사용함)
3) 교류 전류는 솔레노이드에서 주기적으로 방향이 변하여 흐르므로 솔레노이드의 내부의 빈 공간에 변화하는 자기장을 만들고, 이 자기장이 유도 전류를 만듭니다.
4) 솔레노이드 속에 원통형의 철심을 넣으면 자기장의 세기가 커지고, 철심 주의의 공간에는 더 센 유도 전류가 생깁니다.
5) 이 유도 전류는 꼬마 전구를 납땜한 원형 코일을 철심 둘레에 놓아 전구에 불이 켜짐으로서 알 수 있습니다.
6) 전구의 불빛은 솔레노이드에서 멀어질수록 약해지고, 전구와 연결한 원형 코일의 감은 수에 비례하여 변합니다.
7) 교류 전류를 사용하여 변압기의 원리가 되는 상호 유도 현상을 쉽게 학습할 수 있으며, 공간상에서 전기장과 자기장 에너지의 상호 작용을 설명할 수 있는 실험 장치입니다.
