수업 시간에 전원 성공! 플라스틱 단골보드로 만드는 클립 모터 비결
안녕하세요, 과학 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험이죠!
여러분은 ‘클립 모터’라는 말을 들어보신 적 있나요? 건전지와 에나멜선, 그리고 클립만 있으면 만들 수 있는 아주 간단한 모터입니다. 아마 과학 실험이나 자유 연구 시간에 한 번쯤은 보셨을 거예요. 전류를 흘려주면 코일이 빙글빙글 돌아가는 모습은 마치 ‘과학 마법’ 같죠! 하지만 이 클립 모터, 사실은 “만들기 쉬워 보이지만 의외로 성공하기 어렵다“는 작은 함정이 있답니다.
일반적인 방법으로 만들다 보면 “열심히 만들었는데 꼼짝도 안 하네…”하는 경험을 해본 분들도 계실 텐데요. 특히 코일을 감는 데는 약간의 요령이 필요해서 많은 분들이 여기서 어려움을 겪습니다. 대체 왜 그럴까요? 코일이 예쁜 원형이 되지 않거나, 양쪽 축이 일직선이 되지 않으면 자석과의 상호작용이 제대로 일어나지 않아 회전하지 않기 때문이에요. 어쩌면 “난 이런 건 소질이 없나 봐…” 하고 포기해버린 분들도 계실지 모르겠네요.
하지만 아직 포기하기는 이릅니다! 이번에는 클립 모터 만들기의 이런 ‘흔한’ 고민들을 한 번에 해결해 줄 비장의 방법을 소개해 드릴게요. 놀랍게도, 우리 주변에서 쉽게 구할 수 있는 ‘플라스틱 골판지’만 있으면 누구든지 쉽고 확실하게 클립 모터를 돌릴 수 있게 된답니다! 이 놀라운 방법은 코모리 에이지 선생님께서 알려주셨어요. 자, 과학의 신비를 내 손으로 직접 경험할 준비가 되셨나요?
클립 모터의 원리를 이해하자!
클립 모터는 전기 에너지를 운동 에너지로 바꾸는, 바로 전자기 유도의 원리를 응용한 것입니다.
- 전류와 자기장 발생: 건전지에서 흐르는 전류가 에나멜선으로 만든 코일을 통과하면, 코일 주위에 자기장이 발생합니다.
- 자석과의 상호작용: 발생한 코일의 자기장과 근처에 놓인 자석의 자기장이 서로 힘을 주고받습니다. 이 힘이 코일을 회전시키는 원동력이 됩니다.
- 플레밍의 왼손 법칙: 이때, 전류의 방향, 자기장의 방향, 그리고 힘의 방향 사이에는 일정한 관계가 있으며, 이것은 “플레밍의 왼손 법칙”으로 알려져 있습니다. 코일에 흐르는 전류와 자석의 자기장에 의해 발생하는 힘이 코일을 밀어 움직여 회전 운동을 만들어냅니다.
성공의 열쇠는 코일 감기! 왜 일반적인 방법으로는 어려울까?
지금까지 클립 모터의 코일은 건전지 등에 직접 에나멜선을 감아서 만드는 경우가 많았을 겁니다. 하지만 이 방법으로는 절반 이상이 성공하기 어렵습니다. 어른들도 꽤 어렵다고 느끼는 것이 사실이죠. 주요 원인은 다음 두 가지입니다.
- 양쪽 축이 일직선이 되지 않음: 코일 양 끝에서 뻗어 나온 축이 곧지 않으면 회전이 원활하게 이루어지지 않습니다. 조금이라도 휘어 있으면 균형이 깨져 제대로 돌아가지 않아요.
- 균일한 원형 코일을 만들기 어려움: 균일한 자기장을 만들기 위해서는 코일이 예쁜 원형으로 감겨 있어야 합니다. 손으로 균일한 원형을 만드는 것은 생각보다 어려운 일입니다.
「플라스틱 골판지」가 구세주!
그래서 등장하는 것이 바로 **「플라스틱 골판지」**입니다! 플라스틱 골판지를 보조 도구로 사용하면 이러한 문제들을 한 번에 해결할 수 있습니다.
플라스틱 골판지를 사용하는 장점은 아주 많습니다.
- 코일 형태가 잡기 쉽다!: 가이드가 있어서 누구나 예쁜 원형 코일을 쉽게 만들 수 있습니다.
- 길이가 짧아져서 경제적!: 에나멜선을 낭비 없이 사용할 수 있어 재료비를 절약할 수 있습니다.
- 축 조절이 쉬워진다!: 플라스틱 골판지의 두께를 이용해 양쪽 축이 일직선이 되기 쉽습니다.
이번에 사용할 에나멜선은 약 45cm, 두께는 지름 0.5mm짜리를 선택했습니다. 이 정도 두께면 튼튼한 모터를 만들 수 있을 거예요.
자, 그럼 실제로 만들어 보자!
에나멜선은약 45cm를 사용했고, 두께는지름 0.5mm짜리를 선택했습니다. 이 정도 두께면 튼튼한 모터를 만들 수 있습니다. 에나멜선은 대략 45cm 정도 길이를 사용합니다. 두께는 지름 φ 0.5mm짜리를 사용했습니다. 이 정도 두께면 튼튼한 모터를 만들 수 있습니다.
그럼 먼저 감는 방법부터 살펴볼까요? 플라스틱 골판지를 이렇게 잘라냅니다.
여기서부터 만드는 방법은 동영상으로 정리했습니다.
길이는 2.5cm로, 세로는 옆에서 봤을 때 구멍이 3개 보이도록 자릅니다. 이 중앙에 먼저 도선을 통과시키고 끝을 5cm 정도 빼 놓습니다.
나머지는 그림에 따라 통과시켜줍니다. 마지막으로 살짝 잡아당기면서 모양을 잡고, 남는 도선은 잘라냅니다.
도선은 사포를 사용해서 한쪽은 전부 벗겨냅니다. 다른 한쪽은 위쪽 절반만 벗겨냅니다. 뿌리까지 확실하게 벗겨주세요.
그림에서 회색 부분은 벗겨낸 부분입니다. 클립은 다음과 같이 구부려서,
이런 모양으로 만들어서 건전지에 부착해주세요.
자석을 건전지에 붙이면 완성입니다. 이렇게 올려놓아 보세요.
살짝 힘을 주면 빙글빙글 돌기 시작합니다.
어떠셨나요? 꼭 집에서도 만들어 보세요!
에나멜선을 전부 벗기면 어떻게 될까?
① 코일의 기울기와 자기장의 방향이 정확히 일치할 때 (0°일 때), 클립 모터에 흐르는 전류와 자석이 만드는 자기장에 의해 상호작용이 일어나 힘이 작용합니다. 반시계 방향으로 코일이 회전합니다.
※ 플라스틱 골판지 클립 모터는 좀 더 많이 감지만, 이 그림은 이해를 돕기 위해 한 번만 감았습니다.
② 90° 돌면, 양 끝에 힘이 작용하여 코일을 밀어내는 힘이 되고, 회전하는 힘으로는 작용하지 않습니다.
③ 180° 돌면 정류자가 없는 경우에는 전류의 방향과의 관계로 인해 시계 방향의 힘이 되어 모터는 회전하지 않습니다.
정류자를 만들면 어떻게 될까?
그래서 앞쪽 에나멜선만 상부의 코팅을 벗기지 않은 상태로 둡니다 (다음 그림의 노란색 부분).
①’ 0°일 때 클립에 붙어 있는 아래쪽 부분을 통해 전류가 흐릅니다.
②’ 90°가 되어도 아래쪽이 클립에 의해 지지되어 전류가 흐릅니다.
③’ 180° 돌면 코팅된 부분이 아래로 가서 전류가 흐르지 않게 됩니다. 따라서 코일은 계속 반시계 방향으로 회전하며 ①’로 돌아갑니다.
이상입니다. 어떠셨나요? 클립 모터는 전류와 자석의 힘을 이용한 간단한 모터지만, 성공시키기 위해서는 코일 감는 방법이 중요합니다. 플라스틱 골판지를 활용하면 형태를 잡기 쉽고 성공률을 높일 수 있습니다. 과학 지식을 활용하여 직접 만들어보는 즐거움을 느껴보세요!
실제로는 코일의 형태만 프린트에 넣어두고, 학생들이 도선 부분과 전류 흐름의 관계를 직접 그리게 하면 좋을 것 같아요. 좀 투박하지만 자료를 제공해 드립니다. 괜찮으시다면 사용해 주세요.
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