모터의 ‘보이지 않는 벽’을 돌파하라! 종이와 왼손으로 정류자의 비밀을 푸는 페이퍼크래프트
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일매일이 실험!
스마트폰이 “부르르” 하고 떨릴 때, 그 안에서 작은 부품이 엄청난 속도로 돌고 있다는 사실, 알고 계셨나요? 집에 있는 세탁기도, 미래를 달리는 전기자동차도 마찬가지예요. 우리의 일상은 이제 “모터” 없이는 하루도 굴러가지 않습니다.
그런데 이 편리한 기계의 속을 들여다보면, 중학생들이 가장 많이 걸려 넘어지는 “보이지 않는 벽”이 숨어 있어요. 오늘은 그 벽을 가볍게 뛰어넘어 과학실을 감동으로 물들일 놀라운 페이퍼 크래프트를 소개합니다.
모터의 “?”를 “!”로 바꿔 주는 마법 같은 페이퍼 크래프트
과학실에서 “모터의 원리”를 가르칠 때, 선생님들은 어느 부분이 가장 힘드신가요? 아마 많은 분이 입을 모아 “정류자”를 꼽으실 것 같아요.
코일이 반 바퀴 돌 때마다 전류의 방향을 휙 뒤집어 주는 그 절묘한 전환. 교과서나 그림 설명만으로는 아무래도 평면적인 설명에 그치기 쉬워서, 학생들 머릿속에는 물음표만 둥둥 떠 있는 경우도 적지 않죠.
이 “정류자의 벽”을 넘어 보려고 여러 가지 그림을 활용해 학생들과 함께 고민해 보지만, 좀처럼 잘 전달되지 않는 게 현실입니다.
그래서 추천하고 싶은 것이 과학 교재를 페이퍼 크래프트로 만드는 시도를 하고 계신 기시 쇼타로 선생님의 사이트에 올라와 있는 모터 교재입니다.
도안을 오려서 풀로 붙여 봐요
이것이 바로 그 도안입니다.
굵은 선을 따라 오려 낸 다음, 풀로 붙여 조립합니다. 그러면 이런 모양이 완성돼요.
뒷면은 이런 느낌이에요.
한가운데 있는 코일 부분이 빙글빙글 돌아가도록 되어 있습니다.
왼손을 대고 확인해 봐요: 코일은 왜 돌까?
그럼 직접 손을 대 보면서 생각해 볼까요? 사용할 것은 이미 익숙한 플레밍의 왼손 법칙입니다. 왼손 가운뎃손가락을 전류 방향, 집게손가락을 자기장 방향에 맞추면 엄지손가락이 가리키는 쪽이 힘의 방향이에요.
지금 코일에는 a → b → c → d 방향으로 전류가 흐르고 있습니다. 먼저 ab 부분을 살펴보면, 플레밍의 왼손 법칙에 따라 위쪽으로 힘을 받는다는 걸 알 수 있어요.
이번에는 cd 부분도 똑같이 해 보면, 아래쪽으로 힘을 받습니다. 전류 방향이 ab와 반대라서 힘의 방향도 반대가 되는 거죠.
그 결과 한쪽은 위로, 반대쪽은 아래로 끌려가면서 코일이 시계 방향으로 회전합니다.
주인공 등장! 정류자가 전류의 방향을 바꿔 준다
이제부터가 정류자의 본격적인 활약 무대입니다. 코일이 반 바퀴 돌면 정류자가 전류의 방향을 바꿔 줘요.
이제 전류가 d → c → b → a 방향으로 흐르게 되었어요. 똑같이 왼손을 대 보면, 이번에도 같은 시계 방향으로 회전한다는 걸 알 수 있습니다. 먼저 dc 부분입니다.
이어서 ba 부분이에요.
그렇다면 만약 정류자가 없다면 어떻게 될까요? 코일이 자기장에 수직이 되는 위치를 지나친 뒤에도 전류의 방향을 그대로 두면, 이번에는 거꾸로 돌리려는 힘이 작용해 버립니다. 그러면 코일은 앞뒤로 왔다 갔다 하다가 결국 멈춰 버려요. 정류자는 “회전 방향을 계속 한결같이 유지해 주는 숨은 일등 공신”이었던 거죠.
참고로 실제 모터는 코일을 여러 개 사용해서 더 부드럽게 돌아가도록 만들어져 있습니다. 또 전기자동차 같은 곳에서는 정류자 대신 전자 회로로 전류의 방향을 바꿔 주는 모터도 활약하고 있어요. 모양은 달라도 “전류의 방향을 잘 바꿔서 같은 방향으로 계속 돌린다”는 아이디어는 똑같습니다.
클립 모터와 함께 해서 이해를 쑥쑥 키워 봐요
이렇게 종이 위에서 손을 대 가며 생각해 볼 수 있다는 것이 이 페이퍼 크래프트의 가장 큰 매력입니다. 클립 모터 만들기와 함께 수업에 활용해 보시면, “보이지 않는 벽”이었던 정류자의 원리가 학생들 머릿속에서 스르륵 하나로 이어질 거예요.
기시 쇼타로 선생님의 홈페이지에는 이 밖에도 다양한 교재가 공개되어 있습니다. 꼭 이것저것 둘러보고 직접 해 보세요. 기시 선생님, 멋진 교재 정말 감사합니다.
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