파스칼 전선으로 자기장을 “보다”! 전류가 만드는 보이지 않는 힘의 정체

사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험입니다.

전류와 자기장의 관계를 학생들에게 어떻게 가르치고 계신가요? ‘오른나사의 법칙’이나 ‘플레밍의 왼손 법칙’처럼 외워야 할 법칙도 많지만, 눈에 보이지 않는 자기장의 존재를 학생들이 직접 실감하게 하는 것은 생각보다 쉽지 않지요.

이번에 소개할 실험은 파스칼 전선을 이용해 직선 전류 주변에 생기는 자기장을 관찰하는 실험입니다. 파스칼 전선은 내부에 10개의 전선이 병렬로 연결되어 있어, 겉보기에는 1A의 전류가 흐르는 것처럼 보여도 마치 10A의 전류가 흐르는 것과 같은 효과를 내는 특수한 전선입니다. 적은 전류로도 강한 자기장을 만들 수 있기 때문에, 자기장의 모습을 훨씬 선명하게 관찰할 수 있습니다.

아래 영상을 한번 보세요. 전선 주변에 강한 자기장이 만들어지기 때문에, 나침반을 놓아 보는 것만으로도 자기장의 모습을 쉽게 관찰할 수 있습니다.

일반적인 전선을 사용하면 이 정도로 강한 자기장이 만들어지지 않기 때문에 실험이 잘 되지 않습니다.

준비물

• 파스칼 전선: 직선 전류 주변의 자기장을 관찰하기 위한 것으로, 길이 10m 정도가 이상적입니다.
  파스칼 전선에 대한 자세한 내용은 아래를 참고해 주세요. 파스칼 전선을 만드는 데 사용할 수 있는 전선은 후지전선공업 VCTF 0.3sq×10심 등을 Amazon에서 구입할 수 있습니다.

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• 전원 장치(직류): 2대
• 두꺼운 종이: 파스칼 전선을 통과시키기 위한 것으로, 실험대에 고정할 수 있을 정도의 크기와 두께가 있으면 좋습니다.
• 나침반: 여러 개 준비하면 자기장의 방향을 동시에 관찰할 수 있어 더욱 효과적입니다.
• 철가루(또는 마그칩): 자기장의 모양을 눈으로 확인하기 위해 필요합니다.
• 연결 전선: 전원 장치와 파스칼 전선을 연결할 때 사용합니다.
• 스탠드와 클립: 파스칼 전선을 고정하기 위해 사용합니다.
• (필요에 따라) 바나나 플러그 코드, 악어 클립: 배선을 쉽게 하기 위해 사용합니다.

실험 방법

그럼 구체적인 실험 방법을 살펴보겠습니다.

파스칼 전선을 교실에 펼쳐 놓기

먼저 파스칼 전선을 직류 전원 장치 U에 연결한 다음, 교실 안에 길게 펼쳐 놓습니다. 예전에는 스탠드를 사용하기도 했지만, 꼭 사용하지 않아도 괜찮습니다.

전원 장치 2대를 직렬로 연결하면 더 큰 전류를 흘릴 수 있지만, 이 방법은 반드시 안전에 유의하고 각자의 책임하에 실시하시기 바랍니다.

실제 실험 모습은 이렇습니다.

나침반으로 자기장 관찰하기:

두꺼운 종이 주변에 나침반을 여러 개 놓습니다. 이때 파스칼 전선을 중심으로 나침반을 원형으로 배치하면 자기장의 방향을 더욱 쉽게 관찰할 수 있습니다. 아래 사진은 전류를 흘리기 전의 모습입니다.

전류를 흘리면 이렇게 됩니다.

이번에는 원형으로 만들어 철가루를 뿌려 보았습니다.

철가루를 뿌리고 판을 가볍게 두드리면,

무늬가 나타납니다.

확대해서 보면,

고리처럼 둥근 모양으로 철가루가 줄지어 배열되어 있습니다.

나침반을 놓아 보면 자기장의 방향도 확인할 수 있습니다.

이 실험을 통해 학생들은 다음과 같은 중요한 과학 개념을 더욱 깊이 이해할 수 있습니다.

전류와 자기장의 관계: 전류가 흐르면 그 주변에 자기장이 만들어진다는 것.

자기장의 방향: 직선 전류 주변의 자기장은 전류의 방향에 대해 오른나사의 법칙에 따라 동심원 모양으로 형성된다는 것.

자기장의 세기: 전류의 세기가 클수록 그 주변에 생기는 자기장도 강해진다는 것(파스칼 전선의 효과).

자기력선: 철가루가 만들어 내는 무늬가 자기력선을 눈으로 확인한 것이라는 점. 자기력선은 N극에서 나와 S극으로 들어가며, 도중에 끊어지지 않고 닫힌 곡선을 이룬다는 것.

코일의 자기장: 코일에 전류를 흘리면 코일 내부에는 비교적 균일한 자기장이 만들어지고, 외부에는 막대자석과 같은 자기장이 형성된다는 것.

파스칼 전선을 사용하면 이처럼 역동적인 실험을 할 수 있어 수업에서도 매우 편리하게 활용할 수 있습니다. 다양한 상황에서 꼭 한번 활용해 보세요.

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