초간단 전동기 만들기

김정식(이천중학교 수석교사)

에나멜선을 감아 만드는 전형적인 간이전동기 만들기이다. 기존에 많은 제작법이 나와 있고, 많이 알려져 있기 때문에 쉽게 만드는 방법으로 개선하는데 목적을 두었다. 클립을 이용하면 클립을 가공하기 위해 재료들이 또 필요하게 되고, 구리판을 사용하면 평상시에는 구리판을 접할 수 없기 때문에 실험시에만 사용하고 버려지는 경우가 많다. 그래서 주변에 있는 준비물들로 가장 쉽게 만들 수 있는 방법을 제안해 본다.

가. 준비물

에나멜선(지름0.6-0.7mm, 길이 50cm), 페라이트 원형 자석(20X5mm), 건전지DM, DM건전지끼우개, 철 불독클립집게(소, 38mm), 집게전선이 달린 꼬마전구(선택사항)

나. 제작방법

1) 에나멜선을 DM건전지에 3바퀴 반을 감는다.

2) 양쪽에 약 7cm 정도의 여분을 둔다.

3) 양쪽 여분의 에나멜선을 각각 4번정도 묶어 풀리지 않도록 한다.

- 여분의 에나멜선은 회전할 때 축이 되므로 양쪽이 일직선이 되도록 만든다.

4) 원형코일의 여분중 한쪽은 칼이나 사포를 이용해 완전히 벗겨낸다.

5) 다른 한쪽은 칼이나 사포를 이용해 절반만 벗겨낸다.

- 주의할점 : 절반만 벗겨낼때는 원형코일을 세운 상태에서 절반을 벗겨야 한다. 원형코일을 바닥에 놓고 절반을 벗기면 안됨

- 가능하면 원형코일을 양쪽 손위에 올려 놓았을 때 아래쪽으로 향하는 부분을 절반 벗겨 내는 것이 좋다.

6) 건전지를 건전지끼우개에 연결하고 건전지끼우개 연결단자가 위로 올라오게 옆으로 세운다.

7) 건전지끼우개 연결단자에 철 불독클립집게를 물린다.

- 색깔이 칠해져 있는 클립집게는 전기가 통하지 않아 사용할 수 없다.

8) 페라이트 원형 자석을 위에 붙이고, 완성된 원형코일을 넣어 돌린다.

9) 제대로 만들어졌는지 확인하기 위해 꼬마 전구를 연결하고 원형코일을 천천히 한바퀴 회전시키면서 원형코일이 서 있을때 꼬마전구에 불이 꺼지는지 확인한다. 반대쪽으로 회전시켜 원형코일이 서 있을때는 꼬마전구에 불이 들어와야 한다.

다. 실험방법

1) 자석의 극을 바꾸어 가며 원형코일이 어느방향으로 회전하는지 확인해 보자.

- N극이 위를 향할때와 S극이 위를 향할때 어떤 차이가 있는가?

2) 전류의 방향을 바꾸면 원형코일의 어느방향으로 회전하는지 확인해 보자.

3) 연결한 전구에 불이 안들어오는 경우는 어떤 경우인가?

4) 구리선을 그네모양으로 만들어 전기그네를 만들고 어느쪽으로 힘을 받을지 예측해 보자.

라. 과학적 원리

1) 전자기력

도선에 전류가 흐르면 도선 주위에는 자기장이 생긴다. 따라서 전류가 흐르는 도선 주위에 자석을 놓게 되면 자석에 의한 자기장과 전류가 흐르는 도선 주위에 생기는 자기장의 상호작용에 의해 도선은 힘을 받게 된다. 이와 같이 자기장 속에서 전류가 흐르는 도선이 받는 힘을 전자기력이라고 한다.

전자기력의 방향은 도선에 흐르는 전류의 방향이나 자기장의 방향에 따라 달라진다. 대부분 플레밍의 왼손 법칙이나 오른손 대용 법칙을 사용하여 도선이 받는 힘 즉, 전자기력의 방향을 예측할 수 있다.

2) 전동기 원리

전동기는 영구자석으로 자기장을 만들고 그 안에 사각형의 코일이 회전축을 중심으로 회전하게 되어있다. 사각형의 코일에 전류를 흘려주면 코일이 전자석이 되면서 밀고 당기는 힘에 의해 돌아가게 된다. 전동기는 자기장이 셀수록, 전류가 많이 흐를수록 잘 돌아가게 된다. 하지만 너무 과전류가 흐르면 코일이 끊어져 고장날 수도 있다. 실제 전동기에서 코일이 한번만 감긴경우는 없다. 잘 회전시키기 위하여 코일을 여러번, 그리고 여러각도로 감아서 사용한다.

전동기에서 동력을 끌어내는 방법은 간단히 발전기를 거꾸로 가동하는 것이다. 실제로 전동기는 1873년의 빈의 박람회에서 정지하고 있는 발전기(그람의 발전기)의 전류를 끌어내는 단자에 전류가 흐르는 도선을 잘못 연결했다가 이 발전기가 돌아간 사실을 계기로 개발되었다는 이야기가 있다.

실제 전동기는 정류자가 있어 180도 돌때 마다 전류의 방향을 주기적으로 바꿔 계속해서 힘을 가하게 되어 있다.

하지만 우리가 만든 간이전동기는 정류자가 없어 주기적으로 전류를 바꿀 수 없기 때문에 180도가 돌때마다 전류를 끊어 관성으로 돌게 하는 방법을 사용했다.

3) 간이전동기 원리 [참고: http://study.zum.com/book/13072]

가) 에나멜선의 양쪽 끝 부분에서 에나멜을 모두 벗겼을 때 에나멜선 원형코일의 움직임 관찰해 보면 에나멜선에 전류가 항상 흐르게 되어 에나멜선 원형코일이 영구 자석처럼 작용하므로, 네오디뮴 자석과 서로 당기는 방향을 향한 채 에나멜선 고리가 정지해 있게 된다.

나) 에나멜선의 한쪽은 에나멜을 모두 벗기고 다른 한쪽은 절반만 벗겼을 때 에나멜선 원형코일의 움직임을 관찰해 보면

- 에나멜을 벗긴 반쪽이 아래를 향할 때 : 에나멜을 벗긴 부분이 구리판에 닿아 전류가 흘러 에나멜선 원형코일이 전자석의 성질을 띠게 되므로, 네오디뮴 자석의 극과 밀고 당기는 힘이 작용하여 에나멜선 고리가 회전하게 된다. 이때 건전지에서 나온 대부분의 전류는 원형코일을 통해 흘러가기 때문에 저항의 병렬연결에 의해 연결되어 있는 꼬마전구에는 흐르는 전류가 작아 불이 들어오지 않는다.

- 에나멜을 벗긴 반쪽이 위를 향할 때 : 에나멜선을 벗기지 않은 부분이 구리판에 닿아 전류가 흐르지 않으므로 자기장이 생기지 않지만, 돌던 방향으로 계속해서 움직이려는 성질이 작용하여 에나멜선 원형코일이 회전하게 된다. 이때 연결되어 있는 꼬마전구를 통해 전류가 흐르게 되므로 꼬마전구에 불이 들어온다.

다) 에나멜선의 한쪽 끝 부분을 절반만 벗겨 낸 전동기가 계속 돌아가는 까닭

에나멜선 원형코일이 반 바퀴 도는 동안만 전류가 흘러 전자석의 성질을 띠게 된다. 한 바퀴 도는 동안 반 바퀴는 힘을 받고 반 바퀴는 힘을 받지 않아 계속 회전할 수 있다.