모터는 왜 계속 돌아갈까? 디지털 3D와 페이퍼크래프트로 풀어보는 ‘플레밍의 법칙’과 ‘정류자의 비밀’
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험이죠!
여러분 주변에는 ‘모터’가 몇 개나 있을까요? 선풍기, 세탁기, 스마트폰의 진동 기능, 심지어 기차 바퀴까지… 우리 생활은 물건을 ‘돌리는’ 힘으로 가득 차 있습니다. 하지만 “전기가 흐르면 왜 물건이 돌아가는 거지?” 라는 질문을 받으면, 설명하기가 좀 어렵습니다. 눈에 보이지 않는 전기와 자석의 힘을 어떻게 쉽게 설명할 수 있을까요?
이런 고민을 해결해 줄 만한 멋진 3D 그래프 소프트웨어 ‘GeoGebra’에서 모터의 원리를 설명하는 훌륭한 교재를 발견했습니다. 바로 이것입니다!
GeoGebra로 ‘보는’ 모터의 원리
이것도 추천! (검색어: Cópia de Electric Motor)
PC에서도 볼 수 있지만, 특히 추천하는 것은 iPad 앱 버전의 ‘GeoGebra’입니다. 왜냐하면, 바로 ‘내 손으로 돌려가며 움직여 볼 수 있다’ 는 점! 교과서의 평면 그림을 보며 “자, 여기는 안쪽 방향으로 힘이 작용합니다”라고 들어도 잘 이해가 안 되잖아요? 하지만 이 교재를 사용하면 원하는 각도로 직접 회전시켜 보면서 “아, 정말 이 방향으로 힘을 받는구나!” 하고 입체적으로 깨달을 수 있습니다.
이것이야말로 그 유명한 ‘플레밍의 왼손 법칙’ 을 직접 만져보며 확인할 수 있는 방법입니다. 3차원 현상을 설명하기 어려운 문제를 기술이 깔끔하게 해결해 준 것이죠.
디지털로 이해했다면, 아날로그로 ‘만들기’!
디지털 3D 모델로 원리를 “아하!” 하고 이해했다면, 다음은 역시 내 손으로 직접 만들어 보고 싶어지죠? 과학 교재를 #종이공작 (페이퍼 크래프트)으로 만드는 시도를 하는 키시 쇼타로 선생님의 웹사이트를 참고하여, 학생들과 함께 “돌아간다! 종이 모터 2“를 만들어 보았습니다. 지금부터는 이 종이 모터가 “왜 계속 돌아가는지”, 그 심장부를 함께 살펴보겠습니다.
플레밍의 법칙과 ‘회전력’
먼저, 코일에 ‘abcd’ 방향으로 전류가 흐르는 상황을 생각해 봅시다.
여기서 등장하는 것이 중학교 과학의 스타, ‘플레밍의 왼손 법칙’ 입니다. ‘전류・자기장・힘’ (엄지・검지・중지)을 기억하세요!
코일의 ‘ab’ 부분에 주목해 봅시다. 전류는 ‘a→b’ 방향. 자석의 N극에서 S극으로 향하는 ‘자기장’ 방향. 이 두 가지를 왼손의 ‘중지(전류)’와 ‘검지(자기장)’에 맞추면…
엄지손가락(힘)은 ‘안쪽(깊은 쪽)’ 을 가리킵니다! 다음은 코일의 ‘cd’ 부분. 전류는 ‘c→d’ 방향이죠.
마찬가지로 왼손을 대어 보면… 이번에는 엄지손가락(힘)이 ‘바깥쪽(앞쪽)’ 을 향합니다.
자, 상상해 보세요. 코일의 한쪽(ab)은 안으로 밀리고, 다른 한쪽(cd)은 밖으로 당겨집니다. 그러면 어떻게 될까요? 맞습니다! 코일은 ‘스르륵’ 하고 회전을 시작합니다. 이것이 모터의 첫걸음입니다.
계속 돌아가게 만드는 ‘영리한 장치’
하지만 여기서 큰 문제가 발생합니다. 코일이 반 바퀴 돌아서 ab와 cd의 위치가 바뀌면 어떻게 될까요? 만약 전류가 ‘abcd’ 방향 그대로 흐른다면… 방금과는 반대 방향으로 힘이 작용해서 회전이 멈춰버립니다. 마치 그네를 탈 때 타이밍 안 좋게 반대 방향으로 밀리는 것과 같아요.
그래서 등장하는 것이 모터의 ‘발명품’ 이라고도 할 수 있는 중요한 부품, ‘정류자(commutator)’ 입니다!
이 정류자가 코일이 반 바퀴 돌 때마다 전류가 흐르는 방향을 ‘dcba’로 반대로 바꿔주는 역할을 합니다.
전류의 방향이 바뀌면…
(반 바퀴 돌아 앞쪽에 온) ‘cd’ 부분에 흐르는 전류에는…
‘안쪽(이 그림에서는 위쪽)’ 으로 힘이 작용하고,
(반 바퀴 돌아 안쪽에 간) ‘ab’ 부분에 흐르는 전류에는…
‘바깥쪽(이 그림에서는 아래쪽)’ 으로 힘이 작용합니다. 이 ‘절묘한 타이밍에 전류 방향을 뒤집는’ 영리한 장치 덕분에 모터는 항상 같은 방향으로 힘을 받아 계속해서 빙글빙글 돌아갈 수 있는 것입니다!
더 깊이 알고 싶은 분께
이번에는 디지털 3D 모델과 아날로그 종이 모형을 오가며 모터의 원리에 접근해 보았습니다. Tom Walsh 님이 만든 이 GeoGebra 교재도 매우 이해하기 쉬우니, 꼭 한번 확인해 보세요.
https://www.geogebra.org/m/DsCfTEex#material/PN2YrxBb
“막연히 알고 있다”에서 “원리를 설명할 수 있다!”로 바뀌면 과학은 훨씬 더 재미있어집니다!
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