KISTI의 과학향기

1821년, 영국왕립학회에서 한 과학자가 자기력으로 회전운동을 만들 수 있는 기구를 선보였다. ‘호모폴라 전동기’라는 이름이 붙은 이 기구는 오늘날 전동기의 시초가 된다. 호모폴라 전동기를 만든 과학자는 오늘날 ‘전자기학의 아버지’로 불리는 마이클 패러데이(Michael Faraday, 1791~1867). 그의 이름을 따 ‘패러데이 디스크’로도 불린 이 장치는 한 방향으로 꾸준히 전류를 흘려주면 전동기가 회전운동을 한다.

호모폴라 전동기를 직접 만들어 보며 전동기의 원리를 알아보자.

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

[학습주제]
자석의 성질 알아보기
전기와 자기가 서로에게 미치는 영향 이해하기
전자기력과 전자석 알아보기
모터의 원리 이해하기

<실험 방법 및 원리>
<실험 동영상>
 

* 실험 참고사항 : 구리 철사에 손이나 눈을 찔리지 않도록 주의하세요.
철사 양쪽의 균형을 잘 맞추고, 철사 끝이 전지나 자석에 바로 닿지 않도록 하세요. 철사 끝이 전지에 바로 닿으면 철사와 전지 사이를 흐르는 전류의 저항으로 인해 철사가 뜨거워지니 주의하세요.

건전지에서 나온 전기에너지는 운동에너지로 변환돼 멈춰있던 구리 철사를 순식간에 회전시킨다. 전기에너지가 어떻게 운동에너지로 바뀐 것일까? 비밀은 전류와 자석에 있다.

전류는 전하를 띤 입자(전자)들의 흐름이다. 전지를 회로에 연결하면 전자들은 (+)극에서 (-)극으로 이동하는데, 이렇게 도선 내에서 전자들이 한 방향으로 움직일 때 생기는 전류를 직류라고 한다. 호모폴라 전동기는 한 방향으로 전류를 흘려주기 때문에 일종의 ‘직류 전동기’라 할 수 있다.

실험에 쓰인 자석은 자성이 강한 네오디뮴(neodymium)으로 만들어졌다. 네오디뮴은 희토류의 하나로, 자성이 강해 강력한 자석을 만드는 데 사용된다. 모든 자석은 N극과 S극으로 이루어져 있는데 다른 극끼리는 끌어당기는 인력이, 같은 극끼리는 밀어내는 척력이 작용한다. 이런 밀고 당기는 힘을 ‘자기력’이라고 하며 이 자기력이 작용하는 범위를 ‘자기장’이라고 한다.

자기장은 자석이 있어야 형성되지만 전류 주변에 형성되기도 한다. 전류에서 자기장이 만들어진다는 사실은 덴마크의 과학자이자 교수였던 한스 외르스테드에 의해 밝혀졌다. 1820년 4월 21일, 코펜하겐 대학에서 실험 강의를 하던 외르스테드는 의도치 않게 새로운 사실을 알아냈다. 볼타전지의 양극과 음극 기둥을 잇는 철사에 전류를 흘려보내자 그 옆에 나란히 놓여 있던 나침반의 바늘이 시계방향으로 90도 회전한 것이다. 전류의 방향을 바꾸자 바늘은 다시 순식간에 180도 회전했다. 이는 전류의 흐름이 자기장을 발생시킨다는 사실을 보여주는 결과였다.

전류가 흐르면 형성되는 자기장은 전류의 세기나 방향에 따라 달라진다. 도선에서 전류가 흐르는 방향과 그 주위에 형성되는 자기장의 방향은 서로 평행할 수 없는데, 만일 직선 전류가 흐르고 있다면 자기장은 그 주변을 원형으로 흐르게 된다. 이 방향은 앙페르의 오른나사법칙으로 설명할 수 있다. 오른손 엄지손가락으로 전류의 방향을 가리키면, 자기장은 나머지 네 손가락이 주먹을 쥐는 방향으로 흐르는 것이다.

호모폴라 전동기 실험에서 보면 구리 철사가 힘을 받아 회전하는 운동에너지를 얻었다. 이것이 전기에너지를 운동에너지로 변환시켜 회전운동을 하는 전동기의 기본 원리다. 실험에서 전지에 걸친 구리 철사에 전류가 흐르면서 약한 자기장이 생긴다. 이 자기장이 아래에 놓인 네오디뮴 자석의 자기장과 만나 서로 당기거나 밀어내면서 구리 철사가 회전하게 된다. 이 때 자기장과 전류 때문에 구리 철사가 받는 힘은 전류의 방향에 따라 달라진다. 전류가 위에서 아래로 흐를 경우 힘은 시계 방향으로, 아래에서 위로 흐를 경우 시계 반대 방향으로 작용한다. 때문에 전지의 (+)극과 (-)극을 반대로 실험하면 철사가 반대방향으로 회전하는 것이다.

이렇듯 전류가 만든 자기장과 자석이 만든 자기장은 서로에게 영향을 준다. 실험에서처럼 자기장 내에 위치한 구리 철사에 전류가 흐르면 구리철사가 힘을 받아 움직인다. 반대로 구리 철사 주변의 자기장을 변화시키면 구리 철사에 전류가 흐르게 된다. 앞의 현상을 이용해 탄생한 것이 전동기, 뒤의 현상을 이용해 탄생한 것이 발전기다.

전동기는 현재 우리 삶에서 가장 편리한 동력원 중 하나로 자리매김했다. 전동기에는 직류를 사용하는 직류 전동기, 교류를 사용하는 교류 전동기가 있는데 호모폴라 전동기는 직류 전동기의 원리를 이용한 것이다. 선풍기, 진공청소기, 세탁기 등 일상생활에 실제로 사용되는 전동기는 호모폴라 전동기의 구조보다 훨씬 복잡하고 다양한 조건에서 사용되며 자기장과 전류의 세기도 크다.

글 : 유기현 과학칼럼니스트