이 실험 소개
배터리가 없어도 자석을 전선 코일 안으로 밀어 넣으면 전류가 흐릅니다. 자석을 멈추면 전류도 멈추고, 자석을 빼내면 전류는 반대 방향으로 흐릅니다. 마이클 패러데이는 1831년에 코일을 통과하는 자기장이 변하면 전압이 유도된다는 사실을 발견했습니다. 자석을 손으로 움직이거나 스프링에 매달아 움직이거나 코일을 똑바로 통과시켜 보면서, 전류계의 측정값과 자속, 유도 기전력이 속도, 감은 횟수, 자석의 세기에 따라 어떻게 달라지는지 살펴보세요.
학습 목표
- 코일을 통과하는 자속의 변화가 기전력을 유도하는 원리를 설명하세요.
- 유도 기전력의 크기가 속도, 감은 횟수, 자석의 세기에 따라 어떻게 달라지는지 설명하세요.
- 렌츠의 법칙을 사용하여 유도 전류의 방향을 예측하세요
- 기전력을 시간에 따른 쇄교 자속 그래프의 기울기와 연관 지으세요
- 발전기와 다이너모가 어떻게 전기를 만드는지 설명하세요
사용 방법
- 1‘손으로’를 선택하세요. 자석을 코일 안으로 밀어 넣고 가만히 둔 다음, 밖으로 당겨 빼세요. 바늘은 언제 움직이나요?
- 2자석을 더 빠르게 움직이세요. 전류의 크기는 어떻게 되나요?
- 3‘스프링에’를 선택하세요. 두 그래프를 비교하세요. 기전력은 자속이 최대일 때 가장 큰가요, 아니면 자속이 가장 빠르게 변할 때 가장 큰가요?
- 4감은 횟수를 두 배로 한 다음 자석의 세기를 두 배로 하세요. 각 경우에 최대 기전력은 어떻게 변하나요?
- 5‘밀어 통과시키기’를 선택하고 코일 양 끝의 N과 S 글자를 살펴보세요. 코일은 자석을 밀어내나요, 아니면 다시 끌어당기나요?
- 6자석을 뒤집고 같은 과정을 반복하세요. 전류의 방향은 어떻게 되나요?
모델
가정
- 자석은 코일의 축 위에 있는 자기 쌍극자로 취급합니다. 자석이 코일보다 훨씬 크지 않을 때는 정확한 근사이지만, 자석에 아주 가까운 곳에서는 실제 자기장이 더 약합니다.
- 코일의 길이는 4 cm, 반지름은 2 cm이며, 감긴 도선은 길이 방향으로 고르게 분포되어 있습니다.
- 자기 제동은 무시합니다. 코일에 흐르는 전류가 자석의 속도를 늦추지 않는다고 가정합니다. 코일의 자체 인덕턴스도 무시합니다.
- 손으로 움직이면 자석이 포인터를 부드럽게 따라가므로, 자석의 속도는 움직이는 속도에 따라 달라집니다.
수업에서 해 보기
- Q1아무리 강한 자석이라도 코일 안에 가만히 두면 전류가 생기지 않는 이유는 무엇인가요?
- Q2자석이 코일을 통과할 때 기전력에는 부호가 서로 반대인 두 개의 피크가 나타납니다. 그 이유를 설명하세요.
- Q3코일이 램프에 연결되어 있을 때 자석을 코일 안으로 밀어 넣는 데 더 큰 힘이 드는 이유를 렌츠의 법칙을 사용해 설명하세요.
- Q4자전거 다이너모는 더 빨리 달릴수록 램프를 더 밝게 켭니다. 왜 그럴까요?
- Q5감은 수가 두 배이더라도 더 가는 전선으로 만든 코일에서는 전류가 반드시 두 배가 되지 않는 이유는 무엇인가요?
자주 묻는 질문
자속과 자속 쇄교수의 차이는 무엇인가요?
자속은 코일의 한 권선을 통과하는 자기장의 양입니다. 자속 쇄교수는 자속에 권선 수를 곱한 NΦ입니다. 각 권선에서 생기는 기전력이 직렬로 더해지기 때문입니다.
자석이 코일 한가운데 있을 때 기전력이 0인 이유는 무엇인가요?
그 순간 자속은 최대이지만 변하지 않습니다. 어느 쪽으로 조금 움직여도 자속은 거의 변하지 않습니다. 기전력은 자속의 크기가 아니라 자속이 얼마나 빠르게 변하는지에 따라 달라집니다.
전기 에너지는 어디에서 오나요?
자석을 움직이는 데 여러분이 한 일에서 비롯됩니다. 렌츠의 법칙에 따르면 유도 전류는 항상 운동을 방해하는 방향으로 자기력을 만들어 내므로, 자석을 계속 움직이려면 밀어야 합니다. 이 모델에서는 그 힘이 자석의 속도를 눈에 띄게 늦출 만큼 크지 않습니다.