전기 그네는 이제 그만? 알루미늄 포일 한 장으로 배우는 플레밍 왼손 법칙 실험! (전류가 자기장에서 받는 힘)

과학 트레이너 구와코 켄입니다. 매일이 실험입니다.

이 실험은 몇 번을 해도 저도 모르게 “오!”라는 감탄사가 나옵니다. 눈에 보이지 않는 전류와, 이 역시 눈에 보이지 않는 자기장. 이렇게 “보이지 않는 것들”이 만나면 신기하게도 실제로 “힘”이 생겨납니다.

게다가 오늘 소개할 방법이라면 전기 그네처럼 거창한 장치를 만들 필요 없이, 주변에서 쉽게 구할 수 있는 알루미늄 포일만으로도 이 신기한 현상을 재현할 수 있습니다. 아주 간단하지만, 한 번 보면 오래 기억에 남는 실험입니다. 수업이나 자유 탐구 활동에도 꼭 활용해 보세요.

전류와 자기장이 “악수”하면 무슨 일이 일어날까?

전류가 자기장으로부터 힘을 받는 현상을 “로런츠 힘”이라고 합니다. 일상생활에서는 거의 의식하지 못하지만, 사실 모터나 발전기처럼 우리의 생활을 뒷받침하는 기계의 핵심에서 바로 이 힘이 작용하고 있습니다. 선풍기도, 전철도, 세탁기도 그 근원을 따라가 보면 모두 이 보이지 않는 힘의 작용으로 움직이는 것입니다.

교과서에서 “플레밍의 왼손 법칙”이라는 이름을 보고 왠지 어려울 것 같다고 느낀 분도 많으실 겁니다. 하지만 눈앞에서 알루미늄 포일이 살짝 움직이는 순간을 직접 보면, 이 법칙이 갑자기 “내가 직접 경험한 것”으로 다가옵니다. 오늘은 이 경험을 최대한 간단하게 해볼 수 있는 방법을 소개하겠습니다.

준비물

• • 알루미늄 포일 (폭 약 25cm): 가정에서 사용하는 일반적인 알루미늄 포일이면 충분합니다.

 

• • 가위: 알루미늄 포일을 자를 때 사용합니다.

 

• • 자: 알루미늄 포일을 반듯하게 자를 때 있으면 편리합니다.

 

• • 셀로판테이프 또는 양면테이프: 알루미늄 포일을 책상에 고정할 때 사용합니다.

 

• • 직류 전원 장치: 전류를 흘려보내기 위해 필요합니다. ‘푸치 X’라는 미니 전류계가 추천할 만합니다. 전류가 1A에 도달하면 자동으로 전원이 꺼지는 기능도 있어 안전하게 사용하기 편리합니다.

    전원 장치 Petit-X(푸치 엑스)

    

 

• • 리드선(클립 포함): 전원 장치와 알루미늄 포일을 연결할 때 사용합니다.

 

• 알니코 자석·네오디뮴 자석 등 강력한 자석: 자기장을 만들기 위해 사용합니다. 말굽자석으로 대신해도 됩니다.

실험 방법

1. 알루미늄 포일 자르기: 폭 25cm의 알루미늄 포일을 폭 1.5cm 정도가 되도록 길쭉하게 자릅니다. 수업에서 사용할 만큼 준비하세요. 가늘게 자를수록 알루미늄 포일이 가벼워져 작은 힘에도 움직임이 눈에 잘 보입니다.

2. 책상에 고정하기: 잘라 놓은 알루미늄 포일을 책상 위에 놓고 양쪽 끝을 셀로판테이프나 양면테이프로 단단히 고정합니다. 책상에 붙일 때는 포일이 처지지 않도록 팽팽하게 당겨 붙이는 것이 포인트입니다. 처진 상태에서는 힘이 작용해도 움직임이 잘 보이지 않습니다.

3. 회로 만들기: 직류 전원 장치(또는 건전지)의 양극과 음극에 각각 리드선을 연결합니다.

4. 자석 배치하기: 알루미늄 포일의 바로 위 또는 아래에 네오디뮴 자석과 같은 강력한 자석을 놓습니다. 자석의 방향(N극·S극)을 바꾸기만 해도 나중에 힘의 방향이 달라지는 모습을 관찰할 수 있습니다. 여유가 있다면 꼭 한번 시도해 보세요.

5. 전류를 흘려보자!: 전원 스위치를 켜고 전류를 흘립니다. 전류를 너무 많이 흘리지 않도록 주의하세요. 전류가 흐르면 알루미늄 포일의 꼬인 부분이 순간적으로 부르르 움직이는 모습을 볼 수 있습니다. 바로 이 움직임이 전류가 자기장으로부터 받는 힘, 즉 로런츠 힘의 증거입니다.

예를 들어 다음과 같이 배치한 뒤 전류를 흘리면,

알루미늄 포일 띠가 앞쪽으로 힘을 받아 움직입니다.

이번에는 이렇게 배치한 뒤 전류를 흘려보겠습니다.

알루미늄 포일 띠가 마치 강아지가 엎드린 것처럼 아래쪽으로 힘을 받아 축 처집니다. 같은 전류, 같은 자석인데도 방향만 바꾸었을 뿐 이렇게 움직임이 달라집니다. 바로 이것이 로런츠 힘의 재미있는 점입니다.

수업 자료로 활용할 수 있는 이미지 자료입니다. 필요하시다면 자유롭게 활용해 주세요.

플레밍의 왼손 법칙에 스스로 도달할 수 있을까?

실험이 끝난 뒤에는 전류의 방향, 자기장의 방향, 힘의 방향 사이에 어떤 규칙이 있는지 학생들이 직접 생각해 보도록 해보세요. 이 현상이 어려운 이유는 3차원 공간에서 일어나는 현상이라 평면인 종이 위에서는 완벽하게 설명하기 어렵다는 데 있습니다. 그렇기 때문에 머리로 이해하기에 앞서 직접 손을 움직이며 “몸으로 익히는 것”에 의미가 있습니다.

엄지손가락, 집게손가락, 가운데손가락을 각각 서로 직각이 되도록 세웠을 때, 집게손가락을 자기장의 방향에, 가운데손가락을 전류의 방향에 맞추면 엄지손가락이 힘의 방향을 가리킵니다. 이것이 바로 “플레밍의 왼손 법칙”입니다.

교과서에서 법칙을 외우기 전에 눈앞에서 움직이는 알루미늄 포일을 직접 보고, 그 현상에서 법칙에 도달하게 되면 학생들의 이해는 훨씬 깊어집니다. 먼저 자신의 손으로 직접 확인하고, 그다음에 이것에 ‘법칙’이라는 이름이 붙어 있다는 사실을 알아가는 것. 어쩌면 이런 순서야말로 과학을 “내가 직접 경험하는 것”으로 만드는 가장 빠른 길인지도 모릅니다.

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