모터를 분해했더니 나온 건 코일과 자석뿐! 돌아가는 힘의 비밀

사이언스 트레이너 구와코 켄입니다. 매일이 실험!

모터를 분해해서 안을 들여다봤습니다. “분명 복잡한 기계 장치가 들어 있겠지”라고 생각했는데, 나온 건 코일과 자석뿐이었어요. 이 두 가지만으로 선풍기도, 전기자동차도, 드론도 움직이고 있다니, 놀랍지 않나요?

모터 속에는 뭐가 들어 있을까?

자석은 모터 케이스 바깥쪽 안쪽 면에 붙어 있었습니다. 코일은 철심에 감겨 있었고요. 금속으로 된 정류자(整流子) 부분도 또렷하게 보였습니다.

정리하면, 움직이지 않는 자석이 바깥쪽에 있고, 그 안쪽에서 코일을 감은 철심이 빙글빙글 도는 구조예요. 전기를 흘리면 코일이 돌고, 그 회전이 모터의 축을 통해 바깥으로 전달됩니다.

전류가 자기장에서 받는 힘으로 돈다

모터는 전류가 자기장에서 받는 힘으로 회전한다는 원리를 아주 잘 보여 주는 구조입니다. 자석이 만드는 자기장 속에 있는 코일에 전류를 흘리면 코일이 힘을 받아요. 코일의 오른쪽과 왼쪽은 전류의 방향이 반대라서 받는 힘도 반대 방향이 되고, 이 두 힘이 합쳐져 코일을 빙글 돌리는 힘이 됩니다.

이 힘의 방향은 중학교 과학 시간에 배우는 ‘플레밍의 왼손 법칙’으로 알아낼 수 있어요. 교과서 속 그림이 실물 안에서 그대로 움직이고 있는 셈이죠.

정류자는 ‘전류 방향을 바꿔 주는 담당자’

여기서 맹활약하는 것이 바로 정류자입니다. 코일이 그대로 반 바퀴를 돌면 힘의 방향이 반대가 되어 회전이 멈춰 버려요. 그래서 정류자가 딱 알맞은 타이밍에 코일에 흐르는 전류의 방향을 바꿔 줍니다. 그러면 코일은 계속 같은 방향으로 힘을 받아서 쉬지 않고 돌 수 있어요.

회전 도중에 전류의 방향을 뒤바꾼다. 이 작은 아이디어가 모터의 심장부입니다.

클립 모터는 코일이 하나뿐입니다. 그래서 코일이 딱 멈추기 쉬운 위치(힘이 제대로 작용하지 않는 위치)가 있어서, 처음에 손가락으로 살짝 돌려 주지 않으면 움직이지 않을 때가 있어요.

반면 이번에 분해한 모터는 철심에 코일이 3개 감겨 있습니다. 철심 세 부분의 자극이 회전함에 따라 정류자에 의해 차례차례 바뀌기 때문에, 어떤 각도에서 멈춰 있더라도 반드시 회전 방향으로 힘이 작용해요. 그래서 전류가 흐르기 시작하면 저절로 돌기 시작하는 거랍니다. 클립 모터를 돌려 본 적이 있는 사람일수록 이 “저절로 돈다”는 점에 깜짝 놀랄 거예요.

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돌려 보면 알 수 있는 것

분해한 모터의 축을 손가락으로 천천히 돌려 보세요. 덜컥, 덜컥, 일정한 간격으로 걸리는 듯한 느낌이 들 거예요. 이건 철심이 자석에 끌리는 힘 때문입니다. 3개의 코일이 세 군데에서 자석에 끌리니까, 축이 한 바퀴 도는 동안 “여기가 편안한 자리”라고 느껴지는 위치가 여러 번 생기는 거예요.

그리고 모터는 사실 발전기도 됩니다. 모터의 축을 손가락으로 힘차게 돌리면서 단자에 LED를 연결하면 불이 들어올 때가 있어요. 전류가 자기장에서 힘을 받아 도는 모터와, 코일이 자기장 속에서 돌면 전류가 생기는 발전기는 같은 모양을 하고 있답니다. (참고로 자석은 작아도 강력한 경우가 있으니, 분해할 때는 손가락이 끼지 않도록 조심하세요.)

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