수업 시간에 전원 성공! 종이클립 모터 만들기의 비결 (플라스틱 골판지를 활용한 실전 방법)
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일매일이 실험이죠.
여러분은 ‘클립 모터’라는 말을 들어보신 적이 있나요? 건전지와 에나멜선, 그리고 클립만 있으면 뚝딱 만들 수 있는 아주 심플한 모터예요. 과학 실험 시간이나 방학 숙제로 한 번쯤 보셨을지도 모르겠네요. 전류를 흘려주면 코일이 빙글빙글 돌아가는 모습은 그야말로 ‘과학의 마법’ 그 자체! 하지만 이 클립 모터, 사실은 “만들기는 쉬워 보이는데, 막상 해보면 성공하기가 꽤 까다롭다”는 의외의 함정이 숨어 있답니다.
보통 알려진 방법대로 만들다 보면, “정성껏 만들었는데 왜 꿈쩍도 안 하지?”라며 속상해했던 경험, 다들 한 번쯤 있으시죠? 특히 코일을 감는 데는 약간의 요령이 필요한데, 많은 분이 여기서 고비를 맞이하곤 합니다. 대체 왜 그럴까요? 코일이 예쁜 원형이 아니거나 양쪽 축이 일직선이 되지 않으면, 자석과의 상호작용이 제대로 일어나지 않아 회전력이 생기지 않기 때문이에요.
그래서 오늘은 클립 모터 제작의 ‘흔한 고민’을 한방에 날려버릴 특별한 노하우를 소개해 드리려고 합니다. 바로 주변에서 쉽게 구할 수 있는 ‘플라스틱 골판지(플단)’ 하나만 있으면 누구나 쉽고 확실하게 모터를 돌릴 수 있답니다! 이 놀라운 방법은 코모리 에이지 선생님께서 전수해 주셨어요. 자, 이제 내 손으로 직접 과학의 신비를 체험해 볼 준비 되셨나요?
클립 모터의 원리를 파헤쳐 보자!
클립 모터는 전기 에너지를 운동 에너지로 바꾸는 전자기 유도 원리를 응용한 장치입니다.
- 전류와 자기장의 발생: 건전지에서 흐르는 전류가 에나멜선 코일을 통과하면 코일 주변에 자기장이 형성됩니다.
- 자석과의 밀당: 코일에 생긴 자기장과 근처에 둔 자석의 자기장이 서로 밀고 당기며 힘을 주고받습니다. 이 힘이 바로 코일을 돌리는 원동력이 되죠.
- 플레밍의 왼손 법칙: 이때 전류의 방향, 자기장의 방향, 힘의 방향 사이에는 일정한 규칙이 있는데, 이를 ‘플레밍의 왼손 법칙’이라고 부릅니다. 이 법칙에 따라 발생하는 힘이 코일을 밀어내며 회전 운동이 시작됩니다.
성공의 열쇠는 코일 감기! 왜 기존 방식은 어려울까?
보통은 건전지에 에나멜선을 직접 감아서 코일을 만들곤 합니다. 하지만 이 방식으로 하면 절반 이상이 실패의 쓴맛을 보게 돼요. 어른들도 꽤 어렵다고 느끼는 것이 사실이죠. 주요 원인은 다음 두 가지입니다.
- 양쪽 축이 일직선이 아니다: 코일 양옆으로 뻗은 축이 삐뚤빼뚤하면 회전이 매끄럽지 못합니다. 아주 살짝만 휘어도 균형이 깨져서 멈춰버리죠.
- 균일한 원형 코일을 만들기 힘들다: 자기장이 고르게 작용하려면 코일 모양이 예쁜 원형이어야 하는데, 맨손으로 이걸 균일하게 감는 게 생각보다 쉽지 않습니다.
구세주 ‘플라스틱 골판지’ 등장!
여기서 ‘플라스틱 골판지’가 구원투수로 나섭니다! 이 재료를 보조 도구로 사용하면 위에서 말한 문제들을 단번에 해결할 수 있어요.
플라스틱 골판지를 쓰면 이런 점이 좋아요!
- 코일 모양이 예쁘게 잡힌다!: 가이드 역할을 해주니 누구나 동그랗고 예쁜 코일을 만들 수 있습니다.
- 에나멜선을 아낄 수 있어 경제적!: 낭비 없이 딱 필요한 만큼만 감을 수 있어 재료비도 절약됩니다.
- 축 조절이 아주 쉽다!: 골판지의 두께를 활용하면 양쪽 축을 아주 쉽게 수평으로 맞출 수 있습니다.
이번에 사용할 에나멜선은 약 45cm, 굵기는 지름 0.5mm 정도가 적당합니다. 이 정도 굵기여야 튼튼한 모터가 만들어지거든요.
자, 그럼 직접 만들어 볼까요?
에나멜선은 약 45cm 정도 준비해 주시고, 굵기는 지름 0.5mm인 것을 추천합니다. 이 굵기가 되어야 형태가 잘 유지되는 모터를 만들 수 있어요.
먼저 코일을 감는 법부터 살펴볼게요. 플라스틱 골판지를 사진처럼 잘라줍니다.
이후의 상세한 제작 과정은 영상으로 담아보았습니다.
가로 길이는 2.5cm, 세로는 옆면에서 보았을 때 구멍이 3개 보이도록 잘라주세요. 이 중앙 구멍에 먼저 에나멜선을 끼우고 끝부분을 5cm 정도 남겨둡니다.
그다음 그림에 따라 에나멜선을 통과시켜 줍니다. 마지막에 살짝 잡아당기며 모양을 다듬고 남은 선은 잘라주세요.
에나멜선의 코팅을 벗길 때는 사포를 사용하세요. 한쪽 축은 코팅을 전부 다 벗기고, 다른 쪽 축은 윗부분 절반만 벗겨줍니다. 뿌리 부분까지 꼼꼼히 벗기는 게 포인트예요!
그림에서 회색 부분이 코팅을 벗긴 곳입니다. 클립은 다음처럼 구부려서,
이런 모양을 만든 뒤 건전지에 고정해 주세요.
건전지 위에 자석까지 붙이면 완성! 이제 코일을 살짝 올려볼까요?
손으로 톡 하고 살짝 반동을 주면, 힘차게 돌아가기 시작합니다!
어떠셨나요? 여러분도 집에서 꼭 한번 도전해 보세요!
에나멜선을 전부 다 벗기면 어떻게 될까요?
이 설명을 읽기 전에 종이 공예로 모터 모델을 미리 만들어 보시는 걸 추천합니다. 아래 기사를 참고해 보세요.
なぜモーターは回り続ける？ ペーパークラフトとデジタルで解き明かす「フレミングの法則」と「整流子の秘密」（Geogebra）
입체적인 원리라 글만으로는 어려울 수 있으니, 이해가 잘 안 된다면 위 링크의 종이 모형부터 만들어 보세요. 자, 그럼 설명 들어갑니다!
① 코일의 기울기와 자기장의 방향이 일치할 때(0도), 코일에 흐르는 전류와 자석의 자기장이 만나 힘이 작용합니다. 코일이 반시계 방향으로 회전하게 되죠.
※ 이해를 돕기 위해 코일을 한 번만 감은 것으로 그렸지만, 실제로는 여러 번 감습니다.
② 90도 회전하면 힘이 양옆으로 작용해 코일을 벌리려는 방향으로만 힘이 쏠립니다. 회전하는 데는 도움이 되지 않는 상태죠.
③ 180도 회전하면, 정류자가 없을 경우 전류 방향 때문에 시계 방향으로 힘이 작용하게 됩니다. 즉, 반대 방향으로 힘을 받으니 모터가 더 이상 돌지 못하고 멈춰버립니다.
‘정류자’ 역할을 만들어주면?
그래서 한쪽 에나멜선의 윗부분 코팅은 벗기지 않고 그대로 둡니다(아래 그림의 노란색 부분).
①’ 0도일 때: 클립에 닿아 있는 아래쪽(코팅 벗긴 부분)을 통해 전류가 흐릅니다.
②’ 90도일 때: 여전히 코팅이 벗겨진 면이 클립에 닿아 있어 전류가 계속 흐릅니다.
③’ 180도일 때: 코팅된 면(노란색)이 아래로 내려와 클립에 닿으면서 전류가 차단됩니다! 순간적으로 힘은 사라지지만, 이미 돌고 있던 관성 덕분에 코일은 멈추지 않고 다시 ①’의 상태로 돌아가게 됩니다. 이 과정이 반복되면서 무한 회전이 가능해지는 것이죠!
여기까지입니다! 어떠셨나요? 클립 모터는 전류와 자석의 힘을 이용한 아주 단순한 장치 같지만, 성공 여부는 코일을 얼마나 잘 감느냐에 달려 있습니다. 플라스틱 골판지를 활용하면 누구나 고수가 될 수 있으니, 과학 원리를 배우며 만드는 재미를 만끽해 보세요!
플레밍의 왼손 법칙에 대해 더 궁금하시다면 아래 글도 참고해 보세요.
정류자 구조를 한눈에 볼 수 있는 모터 키트도 추천해 드립니다.
실제 교육 현장에서는 코일 모양만 그려진 학습지에 학생들이 직접 전류의 흐름과 힘의 방향을 그려보게 하면 학습 효과가 정말 좋답니다. 조금 투박하지만 수업에 활용하실 수 있는 자료도 함께 공유합니다. 마음껏 활용하세요!
『어른을 위한 고교 물리 복습장』(아마존 링크)
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