모터는 왜 계속 돌아갈까? 디지털 3D와 페이퍼크래프트로 풀어보는 ‘플레밍의 법칙’과 ‘정류자의 비밀’
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험이죠!
여러분 주변에는 ‘모터’가 몇 개나 있을까요? 선풍기, 세탁기, 스마트폰의 진동 기능, 심지어 기차 바퀴까지… 우리 생활은 물건을 ‘돌리는’ 힘으로 가득 차 있습니다. 하지만 **”전기가 흐르면 왜 물건이 돌아가는 거지?”**라는 질문을 받으면, 설명하기가 좀 어렵습니다. 눈에 보이지 않는 전기와 자석의 힘을 어떻게 쉽게 설명할 수 있을까요?
이런 고민을 해결해 줄 만한 멋진 3D 그래프 소프트웨어 ‘GeoGebra’에서 모터의 원리를 설명하는 훌륭한 교재를 발견했습니다. 바로 이것입니다!
GeoGebra로 ‘보는’ 모터의 원리
이것도 추천! (검색어: Cópia de Electric Motor)
PC에서도 볼 수 있지만, 특히 추천하는 것은 iPad 앱 버전의 ‘GeoGebra’입니다. 왜냐하면, 바로 **’내 손으로 돌려가며 움직여 볼 수 있다’**는 점! 교과서의 평면 그림을 보며 “자, 여기는 안쪽 방향으로 힘이 작용합니다”라고 들어도 잘 이해가 안 되잖아요? 하지만 이 교재를 사용하면 원하는 각도로 직접 회전시켜 보면서 “아, 정말 이 방향으로 힘을 받는구나!” 하고 입체적으로 깨달을 수 있습니다.
이것이야말로 그 유명한 **’플레밍의 왼손 법칙’**을 직접 만져보며 확인할 수 있는 방법입니다. 3차원 현상을 설명하기 어려운 문제를 기술이 깔끔하게 해결해 준 것이죠.
디지털로 이해했다면, 아날로그로 ‘만들기’!
디지털 3D 모델로 원리를 “아하!” 하고 이해했다면, 다음은 역시 내 손으로 직접 만들어 보고 싶어지죠? 과학 교재를 #종이공작 (페이퍼 크래프트)으로 만드는 시도를 하는 키시 쇼타로 선생님의 웹사이트를 참고하여, 학생들과 함께 “돌아간다! 종이 모터 2“를 만들어 보았습니다. 지금부터는 이 종이 모터가 “왜 계속 돌아가는지”, 그 심장부를 함께 살펴보겠습니다.
플레밍의 법칙과 ‘회전력’
먼저, 코일에 ‘abcd’ 방향으로 전류가 흐르는 상황을 생각해 봅시다.
여기서 등장하는 것이 중학교 과학의 스타, **’플레밍의 왼손 법칙’**입니다. ‘전류・자기장・힘’ (엄지・검지・중지)을 기억하세요!
코일의 ‘ab’ 부분에 주목해 봅시다. 전류는 ‘a→b’ 방향. 자석의 N극에서 S극으로 향하는 ‘자기장’ 방향. 이 두 가지를 왼손의 ‘중지(전류)’와 ‘검지(자기장)’에 맞추면…
엄지손가락(힘)은 **’안쪽(깊은 쪽)’**을 가리킵니다! 다음은 코일의 ‘cd’ 부분. 전류는 ‘c→d’ 방향이죠.
마찬가지로 왼손을 대어 보면… 이번에는 엄지손가락(힘)이 **’바깥쪽(앞쪽)’**을 향합니다.
자, 상상해 보세요. 코일의 한쪽(ab)은 안으로 밀리고, 다른 한쪽(cd)은 밖으로 당겨집니다. 그러면 어떻게 될까요? 맞습니다! 코일은 ‘스르륵’ 하고 회전을 시작합니다. 이것이 모터의 첫걸음입니다.
계속 돌아가게 만드는 ‘영리한 장치’
하지만 여기서 큰 문제가 발생합니다. 코일이 반 바퀴 돌아서 ab와 cd의 위치가 바뀌면 어떻게 될까요? 만약 전류가 ‘abcd’ 방향 그대로 흐른다면… 방금과는 반대 방향으로 힘이 작용해서 회전이 멈춰버립니다. 마치 그네를 탈 때 타이밍 안 좋게 반대 방향으로 밀리는 것과 같아요.
그래서 등장하는 것이 모터의 **’발명품’**이라고도 할 수 있는 중요한 부품, **’정류자(commutator)’**입니다!
이 정류자가 코일이 반 바퀴 돌 때마다 전류가 흐르는 방향을 ‘dcba’로 반대로 바꿔주는 역할을 합니다.
전류의 방향이 바뀌면…
(반 바퀴 돌아 앞쪽에 온) ‘cd’ 부분에 흐르는 전류에는…
**’안쪽(이 그림에서는 위쪽)’**으로 힘이 작용하고,
(반 바퀴 돌아 안쪽에 간) ‘ab’ 부분에 흐르는 전류에는…
**’바깥쪽(이 그림에서는 아래쪽)’**으로 힘이 작용합니다. 이 ‘절묘한 타이밍에 전류 방향을 뒤집는’ 영리한 장치 덕분에 모터는 항상 같은 방향으로 힘을 받아 계속해서 빙글빙글 돌아갈 수 있는 것입니다!
더 깊이 알고 싶은 분께
이번에는 디지털 3D 모델과 아날로그 종이 모형을 오가며 모터의 원리에 접근해 보았습니다. Tom Walsh 님이 만든 이 GeoGebra 교재도 매우 이해하기 쉬우니, 꼭 한번 확인해 보세요.
https://www.geogebra.org/m/DsCfTEex#material/PN2YrxBb
“막연히 알고 있다”에서 “원리를 설명할 수 있다!”로 바뀌면 과학은 훨씬 더 재미있어집니다!
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