“회전하지 않는” 모터? 집에서 리니어 모터카를 만들며 그 원리를 체험해보자!
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험입니다.
자유탐구 과제로도 활용할 수 있는, 리니어 모터카의 원리를 직접 체험할 수 있는 실험을 소개합니다.
“바퀴 하나 없이 시속 600km로 달리는 탈것이 있다”고 하면 믿으시겠나요? 놀랍게도 그 원동력이 되는 힘은 알루미늄 포일과 자석만 있으면 집에서도 직접 재현할 수 있습니다.
회전하지 않는 모터, 리니어 모터란?
우리가 평소 타는 전철은 바퀴가 ‘회전’하면서 앞으로 나아갑니다. 하지만 리니어 모터카는 바퀴를 굴리는 대신 차량이 공중에 떠오른 상태에서 직선으로 달립니다. 이름 그대로 ‘리니어(linear=직선)’ 운동을 만들어 내는 모터를 사용하는 것이죠.
일반적인 모터는 전기의 힘으로 축을 회전시켜 동력을 만들지만, 리니어 모터는 회전 과정을 거치지 않고 처음부터 직선 운동을 만들어 냅니다. 마치 보이지 않는 손이 밀어주는 것처럼 조용하면서도 강력하게 움직이는 이 원리는 아이부터 어른까지 누구나 흥미를 느끼게 합니다. 이번에는 단 5가지 준비물만으로 리니어 모터의 원리를 직접 체험할 수 있는 실험을 소개합니다. 알루미늄 포일과 자석으로 ‘보이지 않는 힘’의 신비를 가족과 함께 경험해 보세요.
리니어 모터 ‘바’를 만들어 보자!
이 실험에서는 알루미늄 포일로 만든 가느다란 막대(바)가 자석 위를 놀라울 정도의 속도로 미끄러지듯 움직입니다.
준비물:
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- 알루미늄 포일
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- 페라이트 자석 10개 이상(100엔 숍에서도 쉽게 구할 수 있습니다)
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- 플라스틱 책받침
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- 양면테이프
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- 가위
- 건전지(손잡이 발전기를 사용해도 됩니다)
실험 방법:
① 자석을 책받침에 붙입니다.
책받침에 양면테이프를 붙인 뒤, S극이 위를 향하도록 자석을 일직선으로 차례차례 붙입니다.
몇 개를 사용해도 되지만, 10개 이상을 추천합니다!
② 책받침을 뒤집고 양쪽에 알루미늄 포일 레일을 붙입니다.
알루미늄 포일을 폭 약 1cm의 띠 모양으로 두 장 잘라 줍니다. 책받침을 뒤집어 자석이 붙어 있는 면이 아래를 향하도록 책상 위에 놓습니다. 직선으로 배열된 자석 바로 위를 사이에 두도록 레일을 배치한 뒤, 양쪽 끝을 양면테이프로 고정합니다.
③ ‘바’를 만듭니다.
볼펜 심 등을 이용해 지름 약 0.5mm, 길이 약 5cm 정도의 알루미늄 포일 파이프를 만듭니다. (크기가 정확히 같을 필요는 없습니다.)
돌돌 말아 주세요!
④ 레일 위에 ‘바’를 올려놓고 전류를 흘립니다.
레일 위에 알루미늄 파이프를 올려놓고 전류를 흘려 보세요.
1.5V 건전지 한 개만으로도 충분합니다. 전류를 흘리는 순간, 바가 놀랄 만큼 빠른 속도로 움직이기 시작합니다! 손잡이 발전기를 사용하면 손으로 돌리는 속도에 맞춰 바가 미끄러져 나가는 모습도 관찰할 수 있습니다. 아래 영상을 확인해 보세요.
또 하나 흥미로운 점은 건전지의 방향을 바꾸면 바가 움직이는 방향도 반대로 바뀐다는 것입니다. 마치 바가 우리의 조작을 이해하고 스스로 움직이는 것처럼 느껴질지도 모릅니다.
이 신기한 움직임의 비밀은 바로 전자기력입니다. 전류가 흐르는 알루미늄 포일(바)이 자석이 만든 자기장 안에 들어가면 전자기력이 발생합니다. 이 힘이 바를 자석이 늘어선 방향으로 밀어내기 때문에 바는 회전하지 않고 곧바로 앞으로 나아갑니다. 그리고 건전지의 방향을 바꾸면 전류의 방향도 바뀌고, 그에 따라 힘의 방향도 반대로 바뀌기 때문에 바 역시 반대 방향으로 움직이게 되는 것입니다.
작은 실험 속에 숨겨진 시속 600km의 비밀
이 알루미늄 포일 바를 움직이는 힘과 리니어 모터카를 시속 600km로 달리게 하는 힘은 사실 똑같은 ‘전자기력’입니다. 실제 리니어 모터카는 차량에 탑재된 초전도 자석과 선로에 설치된 코일 사이에서 이 힘을 발생시켜 바퀴 없이 공중에 떠서 달립니다. 손바닥만 한 실험과 미래의 교통수단이 같은 원리로 연결되어 있다는 사실을 생각하면 정말 신기하지 않나요? 실험이 잘되지 않는다면 자석의 개수를 늘리거나 알루미늄 포일 파이프를 더 가볍게 만드는 등 여러 가지 방법을 시도해 보세요. 또 이 ‘리니어 모터 바’를 원형으로 한 바퀴 돌게 하려면 어떻게 해야 할지 가족과 함께 고민해 보는 것도 정말 재미있습니다. 집에서 미래 교통수단의 원리를 직접 체험해 보세요!
리니어 모터가 사실은 우리 주변에서도 사용되고 있다는 사실, 알고 계셨나요? 전동 면도기에도 리니어 모터가 들어 있습니다.
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