왜 자석이 멈추게 할까? 코일 그네 실험으로 밝히는 ‘변화를 싫어하는 전기’의 비밀!
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험이죠!
만지지도 않았는데, 금속의 움직임이 뚝! 하고 멈춘다… 마치 SF 영화나 마법 같은 현상이 사실은 여러분 가정에 있는 물건만으로 간단하게 체험할 수 있다면, 정말 신나지 않으세요? 오늘은 집에서 바로 할 수 있고, 깜짝 놀랄 수밖에 없는! 특별한 과학 실험 레시피를 소개합니다.
이 신기한 현상의 핵심은 바로 “와전류(渦電流, eddy current)”입니다. 아마 생소하게 들리실지 모르지만, 사실은 우리 생활 아주 가까운 곳에서 큰 도움을 주고 있답니다. 예를 들어, 고속철도나 일부 기차, 놀이공원의 롤러코스터 등에 사용되는 “와전류 브레이크”가 그 주인공이죠. 이 브레이크가 대단한 점은, 부품끼리 접촉하지 않고도 마치 마법처럼 바퀴를 멈출 수 있다는 거예요. 마찰을 이용하지 않기 때문에 비가 오는 날에도 안정적으로 멈출 수 있고, 부품이 닳을 일이 거의 없다는 엄청난 장점이 있습니다.
오늘은 바로 그 마법 같은 와전류의 정체를 파헤쳐 볼 실험을 소개해 드릴게요!
🧪 과학 레시피: 와전류 실험
🧰 준비물
구리선 (에나멜선 등 피복이 있는 것이 다루기 쉽습니다)
심이 될 물건 (예: 빈 캔이나 랩 심 등 원통형 물체)
자석
있으면 좋은 것: 악어 클립 (또는 셀로판테이프)
💡 자석 팁: 가능하다면 네오디뮴 자석처럼 자력이 강한 것이 좋지만, 다이소에서 파는 둥근 페라이트 자석도 여러 장 겹쳐서 사용하면 괜찮습니다. 구리선은 전기가 잘 통하는 금속일수록 나중에 일어날 현상이 더욱 확실하게 나타납니다.
📝 순서
① 먼저 코일을 만듭니다. 빈 캔 같은 원통에 구리선을 감아 코일을 만듭니다. 사이다 캔처럼 얇고 가는 캔을 추천합니다. 대략 20회 정도 감아주세요. (※에나멜선을 사용했다면, 양 끝의 피복을 사포 등으로 긁어 벗겨 주세요.)
② 코일을 매달아 그네를 만듭니다. 어딘가에 고정하여 코일이 추처럼 흔들릴 수 있도록 만듭니다.
③ 그네를 그냥 흔들어 봅니다. 먼저 평소처럼 흔들어 봅니다. 당연히 한동안 계속 흔들리죠. 다음으로, 그 상태에서 구리선 양쪽 끝을 악어 클립 등으로 연결(회로를 닫음)하고 변화를 살펴봅니다. 아직 자석이 없으므로 특별한 변화는 없을 것입니다.
④ 다음으로 자석을 코일 옆에 두고 ③과 똑같이 해봅니다. 코일 그네가 흔들릴 때, 코일의 고리 ‘안’을 자석이 통과하는 것이 아니라, 코일의 “옆면”에 자석이 가까워졌다가 멀어지도록 설치합니다. 그리고 ③과 같은 순서로 진행해 보세요.
🎬 결과
이 영상을 한번 보세요!
정말 신기하죠?! 자석이 있을 경우, 구리선 양 끝을 연결해 “회로”를 완성하자마자 그네가 마치 점성이 높은 진흙 속을 움직이는 것처럼 순식간에 멈추는 것을 알 수 있습니다. 따로 건전지 등을 연결한 것도 아닌데, 왜 멈추는 걸까요? 정말 궁금하죠!
🔬 마법의 정체: 왜 브레이크가 걸릴까?
이 현상의 정체는 “전자기 유도(電磁氣誘導)”와 거기서 발생하는 “변화를 싫어하는 전기의 성질”에 있습니다.
전기가 만들어진다 (전자기 유도) 코일(구리선)이 자석 옆을 지나갈 때(가까워지거나 멀어질 때), 코일 속의 “자기장 세기”가 변하게 됩니다. 우리가 과학 시간에 배우는 “패러데이의 전자기 유도 법칙”에 따라, 이 “변화”가 코일에 전류를 흐르게 하려는 힘(전압)을 만들어 냅니다.
회로를 연결하면… 이 실험에서 구리선 양 끝을 연결하는 것(회로를 닫는 것)이 가장 중요한 포인트입니다! 전기를 흐르게 하려는 힘이 생겨도, 길이 연결되어 있지 않으면 전기는 흐르지 않죠. 하지만 양 끝을 연결하면, 발생한 힘에 의해 코일 속에 “유도 전류(誘導電流)”가 흐르게 됩니다.
브레이크가 걸린다 (렌츠의 법칙) 가장 재미있는 부분은 여기입니다! 이때 흐르는 전기는 아주 “심술쟁이” 같은 성질(렌츠의 법칙)을 가지고 있습니다.
코일이 자석에 가까워지려고 하면 → “오지 마!” 하고 밀어내는 자력을 발생시켜 움직임을 방해합니다.
코일이 자석에서 멀어지려고 하면 → “가지 마!” 하고 끌어당기는 자력을 발생시켜 역시 움직임을 방해합니다.
쉽게 말해, 코일이 어느 쪽으로 움직이려고 하든 그 움직임에 “잠깐!” 하고 멈춰 세우는 힘(브레이크)이 발생하는 것입니다. 이것이 바로 비접촉식으로 물체를 멈추는 “와전류 브레이크”의 원리랍니다! 마법처럼 보였던 현상의 정체는, “자기장의 변화”를 온 힘을 다해 방해하려는 전기의 힘이었던 것이죠.
🎁 [심화] 팽이로도 체험할 수 있는 ‘와전류’
이 와전류 브레이크는 지구 팽이 같은 금속 원반을 사용해서도 체험할 수 있습니다. 이번에는 코일이 아니라, 금속 “판” 안에 전기가 흐르게 됩니다.
회전하는 팽이(금속 원반)에 자석을 가까이 가져가면, 원반 안에 “소용돌이 모양의 전류”, 즉 “와전류”가 발생합니다. 이 와전류 역시 심술쟁이입니다. 팽이의 회전이라는 “변화”를 방해하려 브레이크를 걸기 때문에, 자석을 가까이 대는 것만으로도 회전하던 팽이의 속도가 점점 느려지다가 멈추는 것을 확인할 수 있습니다.
앞선 실험이 “구리선의 길”을 따라 흐르는 전류였다면, 이것은 “금속판 전체”에 소용돌이 모양으로 흐르는 전류인 셈입니다. 이 두 현상 모두 우리의 안전한 생활을 지탱해 주는 아주 중요한 과학 기술의 원리가 되고 있습니다. 여러분도 집에서 꼭 이 “마법의 브레이크”를 체험해 보세요!
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