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연재 기사

전자석 이야기

어린이과학동아 2005.08.1516호

자기장의 힘은 정말 대단합니다. 심지어 지구가 갖고 있는 자기장은 태양의 위험한 열에너지를 막아 줌으로써 생명체를 보호하고 있을 정도지요. 이렇듯 우리 생활에는 눈에 보이지 않는 힘이 중요하게 쓰인답니다.

그런데 전류와 자기장은 눈에 보이지 않아서 그 원리를 이해하기 어렵다구요? 사실 전자석은 6학년 단원에서 다룰 만큼 어려운 주제랍니다.

그렇다면‘과학교과서 뛰어넘기 플러스’를 통해 그 원리와 쓰임에 대해서 더 알아보도록 해요.

전자석
전자석은 전류에 의해 자기장을 갖게 되고, 전류를 끊으면 자기장을 갖지 않는 원래의 상태로 돌아가는 자석이다. 항상 자기장을 갖고 있는 일반자석에 비해 훨씬 강한 자기장을 만들 수 있다.

또한 전류를 조절해 자기장의 세기를 바꿀 수 있고 극의 방향도 바꿀 수 있기 때문에 일상생활과 공업에 유용하게 쓰인다.

직선으로 펼쳐져 있는 전선이 만드는 자기장은 자석으로서의 힘이 매우 약하기 때문에 전자석을 만들때는 전선을 코일처럼 감는다. 하지만 이 역시 큰자기장을 갖기는 힘들기 때문에 코일처럼 감긴전선속에 전류를 흘렸을때 자기장을 가질수 있는 물건을 넣는다. 쇠못에 코일을 감아 만든 전자석에서 쇠못이 자기장을 크게해주는 역할을한다.

전자석을 직접 만들어 보자
에나멜선을 이용하면 간단하게 전자석을 만들 수 있다. 쇠못, 나무, 플라스틱 등 여러 가지 물체에 에나멜선을 감아서 전자석을 만들어 본 후 어느 전자석의 자기장이 센지 확인해 보자.

[실험 방법]
① 쇠못, 나무, 플라스틱 등에 에나멜선을 감는다. 이 때 쇠못은 알코올 램프에 가열했다가 천천히 식힌 것을 사용해야 한다. 또한 에나멜선을 감기 전 쇠못 같은 금속 막대에는 종이로 감싸 주는 게 좋다.
② 에나멜선의 양끝을 벗겨 낸 후 각각 전지에 연결한다.
③ 클립을 실로 매달아 어느 정도 거리에서 달라붙는지를 관찰하여 자기장의 세기를 비교해 본다. 전자석에 나침반을 가까이 갖다놓아도 된다.

전자석을 클립 가까이에 대 보면 쇠못으로 만든 전자석에 가장 멀리서 달라붙는 것을 확인할 수 있다. 나침반 역시 쇠못으로 만든 전자석 주위의 바늘이 더 많이 움직인다. 즉 쇠못으로 만든 전자석이 플라스틱이나 나무로 만든 전자석보다 더 강한 자기장을 갖고 있는 것이다.

가열했다가 식힌 쇠못을 사용하는 이유는 보통 쇠못이 이미 자석의 성질을 가지고 있을지도 모르기 때문이다. 그리고 에나멜선에 흠집에 생겨 전류가 흐르면 누전에 의해 자기장이 안 생길 수 있으므로 쇠못을 종이로 감싸 주는 게 좋다.



우리 생활에 꼭 필요한 전자석
전자석은 자기장의 방향과 세기를 조절할 수 있는 장점을 갖고 있어서 우리 생활에 유용하게 쓰인다. 특히 전자석의 힘을 이용한 전자제품과 기계는 수 없이 많다.

쓰레기 처리장에서 무거운 쇠붙이를 들어 올리는 기중기는 전자석의 끌어 당기는 힘을 이용한 대표적인 기계다. 이밖에대문의초인종, 기계를 작동시키는 버튼도 전자석의 끌어당기는 힘을 이용한다.

이 전자석의 힘을 좀더 복합적으로 이용하면 전동기를 만들수 있다. 전자석 위에 금속으로만든 회전자를 설치해 놓으면 전자석의 밀고 당기는 힘은 회전력으로 바뀌게 된다.

이렇게만들어진 전동기는 세탁기, 선풍기, 믹서, 헤어드라이어에 이용해 우리 생활을 편리하게 해주고 있다.

[자기부상열차]
전자석은 미래의 첨단 운송 수단인 자기부상열차를 움직이게 하는 데 중요한 역할을 한다.

자기부상열차의 밑바닥에는 강력한 자기장을 갖고 있는 전자석이 달려 있고, 열차가 움직이면 이 전자석은 철로 안에 있는 코일에 전류를 유도하여 열차를 뜨게 한다.

이 자기부상열차는 공중에 떠서 가기 때문에 열차의 운동에 방해되는 마찰력이 거의 없다.


바퀴 없이 전자석의 힘만으로 공중에 떠서 움직이기 때문에 열차 특유의 진동과 소음도 느낄 수 없다.

이 자기부상열차는 현재 독일, 일본에서 실제로 쓰이고 있으며 우리나라는 올해 세계에서 세 번째로 시속 110km로 움직이는 자기부상열차의 개발에 성공했다. 대전 대덕연구단지에 가면 직접 자기부상열차를 타 볼 수 있다.

인류의 소중한 발명품, 나침반
전기와 자기의 만남으로 만들어진 전자석. 이 전자석 덕분에 인간의 생활은 많이 편리해졌다. 그렇다면 인류는 전자석을 만들기 전에는 자기장의 힘을 제대로 이용하지 못 했을까?

정답은‘아니다’이다. 인류는 기원전부터 자기장의 힘을 이해하고 있었고, 이 힘을 생활에 응용하였다.

그 중 가장 대표적이고 중요한 것이 바로 나침반이다. 철학자 베이컨이 화약, 인쇄술과 함께 세상을 바꾼 세 가지 발명품으로 꼽은 나침반에 대해서 자세히 알아보자.

[상업을 발달시킨 나침반]
기원전 600년 경 고대 그리스 사람들은 에게 해의 마그네시아라는 섬에서 철 조각을 끌어당기는 돌을 발견하고 이를‘마그네트(자석)’이라고 불렀다는 기록이 전해지고 있다.

이와 비슷한 시기에 중국인들도 자석을 발견하였고, 오랜 시간이 지난 뒤 이 자석을 바늘처럼 갈아서 매달아 두면 지구의 남북 방향을 가리킨다는 것을 알게 되었다. 이 원리를 이
용하여 1087년에 중국인들은 드디어 나침반을 발명하게 된다. 이로써 밤이나 구름 낀 날씨에도 바다에서 동서남북의 방향을 알 수 있게 되었고, 그 후 항해술은 크게 발전하게 되
었다.

이 나침반을 이용해 배를 타고 먼 곳까지 갈 수 있게된 중국인들은 전세계를 돌아다니며 무역을 할 수 있게 되었다. 특히 지금의 아랍 지역에 많은 물건을 팔았고, 아랍인들은 중국에서 들여온 물건들을 유럽 상인에게 팔았다. 13세기 경 나침반 사용법까지 아랍에 전해지면서 전세계의 무역과 상업은 큰 발전을 이루게 되었다.

[바늘 없는 나침반]
옛날에는 배를 나무로 만들었다. 하지만 요즘처럼 쇠로 만든 배에서도 나침반을 사용할 수 있을까? 거대한 쇳덩어리인 배는 자기력을 갖고 있으므로 기존의 나침반은 사용할 수 없다. 그렇다면 무엇으로 방향을 알아 내는 것일까?

그 답은 바로 바늘 없는 나침반이며, 이와 같은 나침반은 전자석을 이용해서 만든다. 내부 구조와 작동 원리는 복잡하지만 기존의 나침반보다 훨씬 민감하여 미세한 자기장도 정확히 측정할 수 있다.

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