손대지 않고 동전이 쓰러지고, 알루미늄 호일이 뜬다!? 집에서 즐기는 와전류 실험! (패러데이 데스크)

사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일매일이 실험이죠.

“초능력을 써서 손대지 않고 물건을 움직여보고 싶다”는 생각, 사실 과학의 힘을 빌리면 지금 당장이라도 이룰 수 있습니다. 자석에 붙지 않아야 할 알루미늄 호일이 둥실 떠오르기도 하고, 고속으로 회전하던 팽이가 마치 투명한 벽에 부딪힌 것처럼 피펫 멈추기도 하죠. 여기에는 와전류(Eddy Current)라는, 마치 투명한 유령과도 같은 전류의 작용이 숨어 있습니다. 오늘은 주변에서 쉽게 구할 수 있는 도구로 이 신기한 보이지 않는 힘을 체험할 수 있는 여러 실험을 소개해 드립니다.

동전에 손대지 않고 움직이기

먼저 마술 같은 실험부터 시작해 볼까요? 준비물은 알루미늄이나 구리로 된 동전(1엔이나 10원 등)과 강력한 자석입니다. 원래 알루미늄이나 구리는 자석에 붙지 않죠. 하지만 동전에 자석을 가까이 가져갔다가 갑자기 휙 멀리해 보세요. 그러면 동전이 자석에 끌려가듯 툭 쓰러집니다. 왜 자석에 반응하지 않아야 할 금속이 움직이는 걸까요?

냄비 뚜껑, 핸드 스피너, 지구 팽이를 건드리지 않고 멈추기

이번에는 회전하고 있는 물체를 접촉하지 않고 멈춰 보겠습니다. 냄비 뚜껑을 책상 위에서 돌리고 거기에 자석을 가까이 대면… 마치 브레이크를 밟은 것처럼 순식간에 회전이 멈춥니다.

마찬가지로 기운차게 돌아가는 핸드 스피너를 만지지 않고 멈출 수도 있습니다. 또한 정밀한 회전을 계속하는 지구 팽이를 여러 개 나열하고 자석으로 일제히 멈추게 하는 모습은 그야말로 장관입니다.

이 모든 현상은 금속 안에서 발생한 와전류가 회전을 방해하는 방향의 자기력을 만들어내기 때문에 일어납니다.

알루미늄 호일을 띄우는 IH의 마법

주방에 있는 IH 인덕션 역시 사실 와전류의 집합체입니다. IH 위에 알루미늄 호일을 올려놓고 스위치를 켜보면… 놀랍게도 알루미늄 호일이 공중으로 둥실 떠오릅니다!

스위치를 켜면,

멋지게 떠올랐습니다! 알루미늄 호일에는 아무런 장치도 하지 않았습니다. IH 내부에 있는 코일이 자기장을 격렬하게 변화시키고, 그로 인해 알루미늄 호일에 강력한 와전류가 흐르면서 자석끼리 서로 밀어내는 듯한 힘이 발생하는 것이죠. 호일이 주기적으로 들썩이며 떠오르는 이유는 IH의 안전장치가 “냄비가 놓여 있지 않은데?”라고 판단하여 전류를 끊었다 보냈다가를 반복하기 때문으로 보입니다.

알루미늄 파이프 속에 자석 떨어뜨리기

마지막은 중력의 상식을 의심하게 만드는 실험입니다. 알루미늄 파이프 속에 자석을 떨어뜨려 봅시다.

자석을 파이프 바깥쪽에서 떨어뜨리면 순식간에 낙하하지만, 파이프 안쪽을 통과시키면 마치 슬로 모션처럼 천천히 떨어집니다.

자석이 파이프 안을 이동할 때 파이프 벽면에 와전류가 발생하고, 이것이 자석의 낙하를 방해하는 자기력을 만들어냅니다. 강력한 네오디뮴 자석을 사용할수록 이 브레이크는 더 강해져서 낙하 시간이 놀라울 정도로 길어집니다.

와전류란 대체 무엇일까요?

지금까지 살펴본 신비로운 힘의 정체, 와전류 브레이크에 대해 자세히 설명해 드릴게요. 이것은 신칸센이나 대형 트럭, 롤러코스터의 브레이크에도 사용되는 매우 신뢰성 높은 기술입니다.

와전류는 금속판 근처에서 자석을 움직였을 때 자기장의 변화를 상쇄하려고 금속 안에서 소용돌이치듯 흐르는 전류를 말합니다.

다음 그림처럼 자석을 금속판 위에서 미끄러뜨리면, 진행 방향 앞쪽에서는 자기력선이 늘어나는 것을 막으려 하고 뒤쪽에서는 줄어드는 것을 붙잡으려는 힘이 작용합니다.

이 원리를 이용하면 심하게 흔들리는 코일을 딱 멈추게 하는 것도 가능합니다.

이 역사를 거슬러 올라가면 1831년 마이클 패러데이가 발견한 전자기 유도에 도달합니다. 그는 자기로부터 지속적인 전류를 이끌어내는 패러데이 디스크를 고안했습니다. 이것은 자석 사이에서 구리 원판을 회전시켜 전류를 발생시키는 장치로, 현대 발전기의 뿌리라고도 할 수 있습니다. 국립과학박물관에도 그 원리를 체험할 수 있는 전시가 마련되어 있습니다.

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