종이컵 속에서 자석이 춤춘다! 직접 만든 전선으로 스피커의 원리를 체험해 보세요
사이언스 트레이너 구와코 켄입니다. 매일이 실험입니다.
「눈에 보이지 않는 자기장이 소리를 가져온다」
그런 마법 같은 경험을 해본 적이 있나요? 얼마 전 과학관 「쓰쿠바 엑스포 센터」를 방문했다가 저도 모르게 발걸음을 멈추게 만든 전시를 만났습니다. 바로 코일을 이용한 신기한 스피커였습니다. 받침대에서 나오는 눈에 보이지 않는 자기장 속에 코일이 달린 스피커를 가져다 대기만 하면, 전자기 유도에 의해 소리가 들리는 장치였습니다.
멀리 떨어뜨리면 희미한 소리가 나고, 가까이 가져가면 갑자기 훨씬 큰 소리로 바뀝니다. 자기장이 공간을 가로질러 전류를 만들어 내는 모습은 이론으로는 알고 있어도, 직접 경험해 보면 저절로 「오!」라는 감탄사가 나올 만큼 재미있는 현상입니다.
이번에는 이 「공간을 뛰어넘는 전기」를 집에서 재현하는 방법을 소개해 보겠습니다. 주인공은 100엔 숍에서 구할 수 있는 재료와 약간의 아이디어만으로 직접 만들 수 있는 신기한 전선, 파스칼 전선입니다.
여러 개의 전선이 하나로 묶여 있는 케이블(10심 케이블 등)을 활용해 만든 수제 실험 도구입니다. 만들 때 납땜이 필요하지만, 한 번 만들어 두면 저렴하면서도 놀라울 정도로 효과가 좋습니다.
과학 레시피
준비물：
파스칼 전선(직접 제작) 종이컵 네오디뮴 자석(작아도 강력한 것)
방법：
파스칼 전선을 교류 전원 장치에 연결합니다.
전선을 종이컵 바닥과 비슷한 크기가 되도록 빙글빙글 감아 코일을 만듭니다.
종이컵 안에 네오디뮴 자석을 넣습니다.
준비가 끝났다면 교류 전류를 흘려보내고, 컵 안에서 어떤 일이 일어나는지 천천히 관찰해 보세요.
실험 결과：춤추는 자석과 들려오는 「소리」
실제로 실험하는 모습을 영상으로 담아 보았습니다. 꼭 볼륨을 높여서 재생해 보세요.
어떠셨나요? 스위치를 켜는 순간, 마치 스스로 의지를 가진 것처럼 종이컵 안에서 자석이 춤추기 시작하는 모습이 보입니다.
왜 그럴까? 자석이 춤추는 이유
가만히 있던 자석이 왜 갑자기 난리를 치기 시작한 걸까요? 그 비밀은 「교류」와 「전자석」의 조합에 있습니다.
전류가 만든 자기장에 의해 자석이 덜덜 떨립니다.
우리가 평소 콘센트에서 사용하는 전기는 「교류」입니다. 건전지처럼 전류의 방향이 한쪽으로 일정한 「직류」와 달리, 전류의 방향이 왔다 갔다 하기를 반복합니다. 그 횟수는 일본 동부에서는 1초에 50번, 서부에서는 1초에 60번입니다. 눈으로 따라가기 힘들 정도로 빠른 속도입니다.
파스칼 전선을 감아 만든 코일에 전류를 흘려보내면 그곳은 「전자석」이 됩니다. 그렇다면 교류를 흘려보내면 어떻게 될까요? 맞습니다. 전자석의 N극과 S극이 1초에 수십 번씩 빠르게 바뀌게 됩니다!
이렇게 극이 초고속으로 바뀌는 전자석 위에 네오디뮴 자석을 올려놓으면, 자석은 「끌려간다」와 「밀려난다」를 매우 빠른 속도로 반복하게 됩니다. 그 결과 자석이 덜덜 떨면서 크게 진동하고, 마치 춤을 추는 것처럼 보이는 것입니다.
「교류의 고동」과 스피커의 원리
이렇게 진동하는 자석을 비닐테이프 등으로 종이컵 바닥에 단단히 고정한 다음, 컵에 귀를 대 보세요.
「부우웅」 하는 낮은 소리가 들리지 않나요?
이 소리는 자석의 미세한 진동이 종이컵 바닥을 떨리게 하고, 그 진동이 주변의 공기를 흔들면서 만들어진 것입니다. 말 그대로 교류의 고동이라고 할 수 있겠죠.
참고로 이 소리의 높이는 1초 동안 진동하는 횟수에 따라 결정됩니다. 일본 동부의 50회와 서부의 60회는 음으로 바꾸어 보면 도와 미♭ 정도의 차이가 있어서, 서부 지역의 전기가 조금 더 높은 음으로 들릴 것입니다. 만약 두 지역에서 모두 실험할 수 있다면, 직접 들어 보며 비교해 보는 것도 재미있겠네요.
그리고 사실 이 원리야말로 스피커의 원리입니다!
우리가 평소 듣는 음악도 원래는 「복잡하게 변화하는 전기 신호(교류)」입니다. 이 신호를 스피커 안의 코일에 흘려보내고, 자석과의 힘을 이용해 진동판을 떨리게 하면 그 진동이 「소리」가 되어 우리의 귀에 전달됩니다.
처음에 소개한 쓰쿠바 엑스포 센터의 전시는 바로 이 과정을 거꾸로 따라간 것이었습니다. 즉, 자기장 속에서 코일을 움직이면 전기가 만들어지는 전자기 유도 현상을 소리로 체험할 수 있도록 만든 장치였던 것입니다.
종이컵과 자석, 그리고 직접 만든 전선. 이렇게 단순한 재료만으로 현대 기술의 상징이라고 할 수 있는 스피커의 원리를 손에 잡힐 듯 이해할 수 있습니다. 이것이야말로 과학의 매력이 아닐까요?
조금의 시간과 호기심만 있다면 누구나 전기의 「목소리」를 들을 수 있습니다. 여러분도 꼭 집에서 이 「교류의 고동」을 직접 경험해 보세요!
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