실험으로 포착! 전류는 ‘망설인다’? 코일이 보여주는 0.0005초의 이야기
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험입니다.
스위치를 켜는 순간, 전기가 회로에 쏴악 흐르기 시작한다. 그렇게 생각하고 계셨나요? 사실 그렇게 단순한 이야기가 아닙니다. 회로 안에 ‘코일’ 하나만 들어가도 전류는 순순히 흐르지 않고, 마치 브레이크가 걸린 것처럼 천천히 올라가기 시작합니다. 이번에는 나리카에서 구입한 EasySense（DataHarvest사）라는 센서를 사용해서, 이 신기한 현상 ‘자기 유도’의 순간을 실제로 포착해봤습니다.
먼저 아래 영상을 봐주세요.
자기 유도란 무엇인가 ― 코일이 보여주는 ‘전류의 망설임’
코일에 전류를 흘리려고 하면, 코일 자신이 변화를 거부하듯 전류의 변화를 방해하는 방향으로 유도 기전력을 만들어냅니다. 이것이 바로 자기 유도라는 현상입니다. 이전에 소개했던 전기 진동과 마찬가지로, 이 현상도 극히 순간적으로 일어나기 때문에 사람의 눈이나 일반적인 전류계로는 도저히 따라갈 수가 없습니다. 그래서 이번에는 고속으로 데이터를 수집할 수 있는 센서가 활약할 차례입니다.
0.0005초를 놓치지 않는다 ― EasySense 세팅
이번에 사용한 EasySense에서는 측정 시간을 200밀리초, 샘플링 간격을 초당 2000회로 설정했습니다. 즉 1초 동안 무려 2000번의 데이터를 수집할 수 있다는 뜻입니다. 이렇게 촘촘하게 데이터를 잡아낼 수 있으면, 사람 눈에는 한순간처럼 보이는 ‘전류의 상승’도 부드러운 곡선으로 그래프 위에 재현할 수 있습니다.
전압계만이 아니다! 전류계로도 자기 유도는 보인다
앞서 소개한 영상에서는 전압계를 사용한 실험을 보여드렸는데, 사실 전류계로도 같은 방식으로 자기 유도의 모습을 관찰할 수 있습니다. 이번에 사용한 것은 플러스마이너스 1A（암페어）까지 측정할 수 있는 전류계입니다.
전류계를 사용할 때 주의해야 할 포인트가 하나 있습니다. 바로 전류계는 회로에 직렬로 연결해야 한다는 것입니다. 전압계는 병렬, 전류계는 직렬. 중학교 과학에서도 익히 배우는 기본 규칙이지만, 실험할 때마다 “어, 어느 쪽이었더라?” 하고 확인하고 싶어지는, 은근히 헷갈리기 쉬운 포인트이기도 합니다.
측정 결과가 말해주는, 코일의 ‘발목 잡기’의 정체
자, 이제 드디어 측정 결과입니다. 그래프에서 파란색은 코일이 없는 경우, 빨간색은 코일이 있는 경우를 나타냅니다. 코일이 없는 회로에서는 스위치를 켜는 순간 전류가 곧바로 최댓값에 도달합니다. 그런데 코일을 넣은 회로에서는 전류가 훅 흐르기 시작하는 게 아니라, 시간을 두고 조금씩 서서히 올라가는 모습이 또렷하게 기록되었습니다.
실제 시간으로 따지면 불과 찰나의 순간입니다. 그런데도 이렇게 아름다운 곡선으로 눈에 보이는 형태로 나타난다는 게 정말 감동적이었습니다. 평소에는 교과서 속 이론으로만 존재했던 현상이, 그래프라는 ‘증거’로 눈앞에 나타나는 순간은 몇 번을 경험해도 가슴이 두근거립니다.
왜 코일은 전류를 ‘망설이게’ 하는 걸까
이 현상의 이면에 있는 것이 바로 렌츠의 법칙입니다. 코일에 흐르는 전류가 변화하려고 하면, 코일은 그 변화를 상쇄하는 방향으로 스스로 기전력을 발생시킵니다. 말하자면, 급격한 변화를 싫어하는 ‘관성’과 같은 성질을 전기의 세계에서도 가지고 있다는 것입니다.
이 성질은 결코 실험실만의 이야기가 아닙니다. 우리 주변에 있는 변압기나 모터, IH 쿡탑, 나아가 스마트폰의 무선 충전까지, 자기 유도와 전자기 유도의 원리는 현대 생활을 떠받치는 숨은 주역으로 맹활약하고 있습니다. 작은 코일 하나가 보여주는 ‘망설임’의 정체를 알게 됨으로써, 눈에 보이지 않는 전기라는 존재가 조금은 더 친숙하게 느껴지지 않으실까요?
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