전선 한 가닥이 열 가닥 몫!? ’30암페어급’ 자기장을 체험하는 파스칼 전선(S-케이블)
사이언스트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험입니다.
‘전기’와 ‘자기’. 학교 과학 시간에 배우는 ‘오른나사의 법칙’이나 ‘플레밍의 왼손 법칙’, 기억하시나요?
교과서에서는 익숙한 내용이지만, 막상 실험해 보면 나침반이 ‘살짝’ 움찔하거나 전선이 ‘미세하게’ 움직이는 정도입니다. 솔직히 말하면, 감탄이 나올 만큼 강렬한 현상을 경험하기는 쉽지 않습니다. 전기와 자기의 세계에서 나타나는 힘은 매우 섬세하고 약하기 때문이죠.
그런데 만약 학교 실험실에서 사용하는 안전한 전원 장치(수 A 정도)를 그대로 사용하면서도, 마치 수십 A에 달하는 큰 전류를 흘린 것처럼 ‘압도적인’ 전자기 현상을 안전하게 체험할 수 있다면 어떨까요? 오늘은 바로 그런 마법 같은 실험 교구 ‘파스칼 전선’의 매력과, 놀라운 ‘10배 파워’의 비밀을 소개해 보겠습니다!
‘전자기’ 실험이 안고 있던 딜레마
전기가 자기장을 만든다는 것(외르스테드의 발견), 그리고 자기장 속에서 전류가 힘을 받는다는 것(플레밍의 법칙)은 오늘날의 모터와 발전기를 뒷받침하는 기본 원리입니다. 하지만 이 힘을 누구나 확실하게 눈으로 확인할 수 있을 정도로 크게 만들려면, 원래는 가정용 차단기가 내려갈 정도인 ‘수십 A’의 큰 전류가 필요합니다. 학교 실험에서 사용할 수 있는 전류는 많아야 5 A 정도입니다. 이 정도로는 전류가 너무 약해 눈에 잘 보이는 실험을 하기 어렵습니다. 이런 오랜 고민을 놀라운 아이디어로 해결한 것이 바로 ‘파스칼 전선’입니다.
‘파스칼 전선(S-cable)’은 외르스테드의 위대한 발견에서 시작된 모든 전자기 현상을 저렴하고 간편하며 안전하게 직접 체험할 수 있도록 만든 세계 유일의 실험 교구입니다.
비밀은 ‘10가닥’! 안전하게 10배의 힘을 만드는 원리
파스칼 전선을 사용하면 예를 들어 전원 장치에서 5 A의 전류만 흘려도, 마치 ‘50 A’의 전류를 흘린 것처럼 강력한 자기장을 만들어 낼 수 있습니다. ‘그렇게 큰 전류를 흘리면 위험한 것 아닌가?’라고 생각할 수도 있습니다. 하지만 핵심은 ‘그렇게 보이게 된다’는 것입니다. 실제로 흐르는 전류는 여전히 5 A입니다. 그래서 매우 안전하죠. ‘대체 무슨 말인지 모르겠는데요!’라고 생각하시겠죠（笑）.
비밀은 전선의 구조에 있습니다. 파스칼 전선은 겉으로 보기에는 굵은 전선 한 가닥처럼 보이지만, 그 안에는 무려 ‘10가닥’의 가느다란 전선이 들어 있습니다. 저도 바로 온라인으로 주문해서 전선을 구해 보았습니다. 파스칼 전선을 만드는 데 사용할 수 있는 전선은 후지전선공업 VCTF 0.3sq×10심 등이며 Amazon에서 구입할 수 있습니다.
후지전선공업 VCTF 0.3sq×10심 비닐 캡타이어 코드(원형 케이블)
안에는 이렇게 10가닥의 전선이 들어 있습니다. 이것을 색깔별로 조합을 달리해 가면서 납땜해 연결합니다.
이 10가닥의 전선을 납땜으로 잘 연결해, ‘(＋)에서 들어온 전류가 10가닥의 전선을 병렬로(!) 통과한 뒤 (－)로 빠져나가도록’ 가공합니다. ※ 한 가닥의 전선을 10번 왕복하도록 직렬로 연결합니다. 핵심은 ‘10가닥에서 만들어지는 힘을 합치는 것’입니다.
（※추가 설명: 정확한 구조는 공식 사이트를 확인해 주세요. 중요한 것은 10가닥의 전선에 전류가 흐르면서 각각의 전선이 만드는 자기장이 ‘겹쳐진다’는 점입니다!）
이렇게 완성되었습니다.
전선 한 가닥에 3 A가 흐를 때 만들어지는 자기장을 ‘1’이라고 한다면, 파스칼 전선은 ‘10가닥의 전선에 각각 3 A가 흐르는’ 것과 같은 상태를 굵은 전선 한 가닥 안에서 만들어 냅니다. 따라서 자기장(그리고 전선이 받는 힘)은 단순히 10배! ‘큰 전류를 흘린다’는 힘으로 해결하는 것이 아니라, ‘10가닥의 힘을 겹쳐서 더한다’는 영리한 아이디어를 이용해 안전하면서도 강력한 실험을 가능하게 한 것입니다.
전원 장치를 두 개 겹쳐 연결해 큰 전류를 흘려 보겠습니다. 그러면 그 효과가 다시 10배로 커집니다. 실험 예시로, 오른나사의 법칙 실험은 아래 링크를 참고해 주세요.
나침반이 움찔하고 움직이는 모습이 정말 재미있는 부분입니다.
예를 들어 이것은 플레밍의 왼손 법칙 실험 모습입니다. 파스칼 전선을 아래로 늘어뜨린 다음 U자형 자석 사이로 통과시킵니다. 전류를 흘려보내는 순간, 즉 스위치를 켜는 순간…
전선이 ‘휙!’ 하고 눈에 보일 정도로 크게 흔들리는 모습을 확인할 수 있습니다. ‘힘’이라는 것을 말 그대로 ‘몸으로 느낄’ 수 있는 순간입니다. 교류로 바꾸어 보면 전선이 부르르 떨리는 모습도 볼 수 있습니다. 이처럼 파스칼 전선은 ‘전기’와 ‘자기’라는 눈에 보이지 않는 세계의 신비를 안전하면서도 역동적으로 직접 체험하게 해 주는 훌륭한 교구입니다.
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