KISTI의 과학향기

바야흐로 멀티미디어의 시대다. 우리는 TV와 라디오, PC는 물론 스마트폰을 통해 다양한 영상?음악 콘텐츠를 즐긴다. 멀티미디어의 필수품 중 하나는 바로 ‘스피커’다. 전자제품에서 나오는 전기신호를 우리의 귀가 들을 수 있는 건 스피커나 이어폰 덕분이다.

스피커(speaker)는 전기로 된 신호를 음성신호, 즉 사람이 들을 수 있는 소리로 변환해 주는 장치다. 우리말로 확성기라고도 부르며, 스피커를 휴대용으로 작게 만든 것이 이어폰이다.

오디오에서 만들어진 소리 정보는 전기신호 형태로 전선을 통해 스피커까지 전달된다. 스피커에 들어있는 코일에 소리의 전기신호가 흐르면 자기장의 작용에 의해 코일 사이에 있는 철 조각이 움직인다. 이 진동이 진동판에 전해져 소리가 발생한다. 소리 신호와 자기장, 전기, 진동판이 있다면 스피커를 만들 수 있다는 얘기다.

간단한 재료를 사용해 직접 스피커를 만들어 보자.

[교과과정]
초등 3-2 자석의 성질
초등 5-1 전기 회로
초등 6-2 자기장

[학습주제]
전기와 자기의 관계 이해하기
스피커의 원리 이해하기
자기장을 이용한 스피커 만들기

<실험 방법 및 원리>


<실험 동영상>


* 실험 참고사항 :
? 에나멜선, 네오디뮴 자석은 문구점에서 구입할 수 있습니다.
? 에나멜선의 끝부분 코팅면을 벗기기 위해 라이터를 이용할 경우, 손을 데거나 다른 곳에 불이 옮겨 붙지 않도록 주의하세요.
? 플라스틱 컵 대신 종이컵을 사용해도 됩니다.
? 오디오용 전선 대신 한쪽이 고장 난 이어폰을 잘라내어 사용해도 됩니다.

※오디오용 전선 표면의 피복을 벗겨내면 안에 전선이 3개가 있는 경우가 있는데(빨간색, 검은색, 니크롬선), 이 경우 빨간색과 검은색의 전선은 다시 벗겨 두 개를 꼬아 묶어준다. 두 개를 묶은 전선과 니크롬선에 각각 전선을 연결하면 된다.

플라스틱 컵에서 소리가 나오는 비밀

전류는 전자가 이동하면서 흐른다. 전자의 움직임은 자기장도 함께 만들어 내는데, 이 때문에 전류가 흐르는 전선 주변에는 자기장이 발생한다. 이와 반대로 원형 전선 안에서 자석을 움직이면 전선에 전류가 발생한다. 이처럼 전기와 자기는 늘 함께 존재하며 서로에게 영향을 미친다.

음악이나 음성신호는 디지털화 또는 아날로그화해 매체에 기록된다. 실험에서는 그 매체가 스마트폰으로, 영상을 재생하면 디지털 또는 아날로그 신호가 추출돼 전기신호로 전송된다. 이 전기신호는 오디오용 전선과 에나멜선을 따라 흐르는데, 이때 생긴 전류의 변화가 자기장을 만들고, 이 자기장이 네오디뮴 자석의 자기장과 함께 작용해 플라스틱 컵을 진동시킨다. 이 진동이 소리를 만들어 우리 귀에 들리는 것이다. 소리의 높낮이와 크기는 전기신호의 주파수와 전류의 힘에 따라 다르게 나타난다.

다양한 스피커의 개발

앞에서 소리 신호와 자기장, 전기, 진동판이 있다면 스피커를 만들 수 있다고 했다. 이런 원리를 이용해 독특한 형태의 스피커를 개발한 사례도 종종 발표된다. 2004년 일본에서는 꽃병 바닥에 도넛 모양의 자석과 코일을 부착한 ‘꽃잎 스피커’를 선보였다. 오디오에 연결하면 전기신호가 꽃줄기를 거쳐 꽃잎을 진동시키고, 이를 통해 소리를 듣게 되는 원리다. 일반 스피커가 한 방향으로만 소리를 전파한다면, 이 꽃잎 스피커는 사방으로 소리를 전파한다.

일반 유리창에 진동 장치를 붙여 소리를 내는 특수한 스피커 ‘사운저볼’도 있다. 진동 장치에서 나오는 진동이 유리 표면을 흔들면 표면 진동이 공기를 울려 소리를 전달하는 원리다. 진동 장치를 붙일 수 있는 넓은 면만 있다면 어떤 물체라도 스피커로 사용할 수 있다.

글 : 유기현 과학칼럼니스트