간이 전동기 만들기; 플레밍의 왼손 오른손 법칙과 앙페르의 오른손 법칙

과학을 혼자하니까 힘들어서 저번주 화요일부터 과학학원을 다니게 되었습니다.

그런데 첫날부터 실험을 한다고 간이전동기를 만들었는데

핑글핑글 잘 돌아가더군요.

아래 동영상입니다.

(소리는 시끄러워서 그냥 배경음악 넣었어요.)

참고: 제 휴대폰으로 찍었는데 피쳐폰이라 화질이 안 좋아요.

자, 그럼 이제 이 전동기를 만드는 방법과 왜 돌아가는지 그 원리를 알아볼까요?

먼저, 간이전동기 만드는 순서입니다.

1. 준비물을 다 챙깁니다. 준비물에는 에나멜선, 배터리, 자석(좀 강한 것, 네오디움 자석이 가장 잘 되는 것 같습니다.), 지지대 만들 철사(클립이나 전기가 통하는 것이면 됩니다.), 배터리와 지지대를 고정시키기 위한 도구(배터리홀더를 사용해도 괜찮고 그냥 테이프로 붙여서 고정시켜도 됩니다.), 사포

2. 에나멜선을 동그랗게 여러번 감습니다.

3. 감은 에나멜선이 풀리지 않게 원의 양 끝을 감아줍니다.

4. 에나멜선의 한쪽 끝은 사포로 완전히 벗겨내고, 다른쪽 끝은 반만 벗겨냅니다.

5. 배터리에 철사로 지지대를 만들어 고정시킵니다.

6. 배터리 위에 자석을 올려놓습니다.

7. 지지대에 아까 감은 에나멜선을 올린 후 살짝 돌려줍니다.

8. 성공했으면 빠르게 돌아갑니다. 느린건 7번 과정에서의 움직관성때문입니다.

간이 전동기의 원리만 알면 약간 다른 방법으로도 만들 수 있습니다.

그런데 이렇게 말로 설명해 놓으니 이해가 갈란가 걱정이 되네요.

(제가 과정샷을 안 찍어놓아서...ㅠ.ㅜ)

어쨌든, 왜 이런 결과가 나오는 걸까요?

또, 왜 에나멜선을 한쪽은 완전히, 한쪽은 반만 벗겨야 할까요?

이것을 알기 위해서는 전류가 흐르면 자기장이 형성된다는 사실을 알아야 합니다.

그래서 요새는 우리가 전기력, 자기력 이렇게 따로 부르기 보다는

전자기력, 혹은 전자기장이라는 말을 많이 쓰죠.

이 내용을 확립한 사람은 패러데이와 맥스웰, 그리고 외르스테드입니다.

외르스테드는 전류가 흐르는 도선 주위에 자기장이 형성된다는 것을 발견했고

패러데이는 자기장으로부터 전류를 발생시키는 전자기 유도 현상을 발견했습니다.

맥스웰은 전자기장 방정식을 만들고 전자기장에 관한 역학 이론이라는 책을 썼죠.

출생 순서는 외르스테드-패러데이-맥스웰입니다.

(그런데 유명한 순서는 그 반대인 것 같더라고요....)

어쨌든, 우리는 이 분들 덕분에 전기가 흐르면 자기장이 생긴다는 걸 알아냈는데

그 방향이 어떠한지 발견한 사람은 플레밍과 앙페르입니다.

(앙페르는 암페어라고도 하더라고요.)

어, 플레밍이라고? 페니실린 발견한 사람?

그 사람 말고, '존 앰브로즈 플레밍'이라는 다른 사람입니다.

페니실린은 '알렉산더 플레밍'이 발견했습니다.

뭐, 둘다 국적이 영국이고, 살았던 시기가  비슷하긴 해도 구별해야 합니다.

그럼 우리가 오늘 논하고자 하는 플레밍은 뭘 발견했느냐, 하면

그 유명한 '플레밍의 왼손법칙, 오른손법칙'을 발견했습니다.

플레밍의 왼손법칙은 자기장 속에 있는 도선에 전기가 흐를 때

도선에 어떤 방향으로 힘이 가해지는지 알 수 있는 방법이고,

플레밍의 오른손법칙은 자기장 속에 도선이 움직일 때

유도전류의 방향을 알 수 있는 방법입니다.

그다음, '앙페르의 오른손법칙'이 있는데

이것은 전류가 흐를 때 자기장의 방향을 알 수 있는 방법입니다.

앙페르의 첫번째 오른손법칙은 전류가 직진할 때,

두번째 오른손 법칙은 전류가 빙글빙글 감긴 코일에서 흐를 때 

자기장의 방향을 알 수 있는 방법입니다.

(위에 두 사진 출처: http://sciencecity.oupchina.com.hk/npaw/student/glossary/flemings_left_rule.htm

http://sciencecity.oupchina.com.hk/npaw/student/glossary/flemings_right_rule.htm

아래 두 사진 출처: http://tonyxu-sph3u.blogspot.kr/2010/09/right-hand-rule-1-2-rhr1-2.html)

위에 두개는 플레밍의 왼손과 오른손 법칙이고

아래 두개는 앙페르의 오른손 법칙 1과 2입니다.

current는 전류, magnetic field는 전기장, force는 힘, motion은 운동입니다.

아, 전류는 +에서 -로, 자기장은 N에서 S극으로 간다고 정해져있습니다.

그래서 플레밍의 법칙에서 손가락에 있는 쪽은 S극을 향해 있습니다.

(간혹 인터넷에 잘못된 그림이 있는데 낚이지 마시길 바랍니다.)

하지만 앙페르의 경우는 손가락 쪽이 N극입니다.

맨 마지막 그림에도 나타나 있죠?

(왜 그렇게 서로 다른지는 모르겠습니다.)

자, 그럼 간이전동기는 뭘 이용해서 설명해야 할까요?

에나멜선을 빙글빙글 감은 곳에서 전류가 흐르니까

앙페르의 오른손법칙 2번을 이용하면 설명이 가능합니다.

동그랗게 감은 에나멜선을 지지대에 올려놓아서

사포로 겉을 벗겨낸 부분이 철사에 닿으면 전류가 통하게 됩니다.

그러면 앙페르의 법칙에 의해 자기장이 생기겠죠.

그런데 우리가 아래 자석을 놓았습니다.

자석의 서로 다른 극끼리는 인력, 같은 극끼리는 척력이 작용합니다.

그래서 에나멜선이 돌아가게 됩니다.

반바퀴를 돌면 한쪽의 에나멜선은 사포로 벗겨지지 않은 부분이 닿게 되어

전류가 통하지 않습니다.

이 때는 관성으로 돌아갑니다.

그리고 또 반바퀴를 돌면 전류가 통해 자기장이 생겨서

자석이 잡아당기고 미는 힘에 의해 돌아가고....

그 과정이 계속 반복됩니다.

만약 에나멜선을 반대방향으로 감거나 전류의 방향을 달리해주면

앙페르의 법칙을 적용했을 때 자기장의 방향이 달라지는 것을 알 수 있습니다.

그러면 에나멜선이 도는 방향도 달라지겠죠.

만약 에나멜선 양 끝을 겉을 모두 벗겨버리면

반 바퀴 돌아갔을 때 N극과 S극이 관찰자 입장에서 방향이 달라집니다.

(오른손을 위 그림처럼 하고 돌려보면 알수 있습니다.)

그러면 반대쪽으로 돌게 됩니다.

그래서 그 과정이 계속 반복되면 돌지는 않고

왔다 갔다만 계속 해대는 것을 볼 수 있습니다.

와, 이렇게 간이전동기에서 시작해서

플레밍과 앙페어의 손법칙에 대해 알게되었네요.

저는 손가락의 유연성이 안 좋은 건지, 플레밍의 손법칙을 못 따라 하겠더라고요.

왼손은 되는데 오른손은...연습하면 되겠죠, 뭐.