전자석의 실험

철을 심으로 하여 거기에 에나멜선을 감아 전류를 흐르게 하면, 철은 자석이 되는데 이런 자석을 전자석이라고 한다. 전자석의 성질과 영구자석과는 어떤 차이가 있는지 알아본다.

전류와 자기장

전류가 흐르면 자기장이 생기며, 철심을 넣으면 강력해진다. 전선 주변에서 자기장이 생김을 확인한다.

준비물

직선전선, 원형 전선, 코일, 나침반, 철심

실험관찰

① 전선들에 직류 전기를 흘려, 나침반을 갖다대어 자기장이 생기는지 확인하자② 코일에 전기를 통하게 한 후 철심을 넣을때 끌리는 세기 변화를 관찰하자③ 전선에 흐르는 전류의 방향을 바꾸면 전자석의 극이 어떻게 바뀌는지 살펴보자.

결과

① 전류를 흐르게 하면 약한 자기장을 가진다..② 철심을 넣는 쪽이 자기장이 크다. 강력하다.③ 방향은 바뀌며, 오른손으로 전선을 감고 엄지를 전류의 방향에 놓았을때 네 손가락이 도는 방향으로 자기장이 생긴다.

전자석 만들기와 그 작용

철심과 에나멜선을 이용해 전자석을 만들 수 있다. 전자석에도 N, S극이 있는데 전류의 방향을 바꾸어 두 극의 위치를 바꿀 수 있다. 전자석을 만들어 그 작용을 알아보고, 영구자석과 비교해 본다.

준비물

철심, 에나멜선, 건전지, 전지끼우개 약간의 못

실험관찰

① 철심에 에나멜선을 감아 전자석을 만든 다음 에나멜선에 전류를 넣었다 끊었다 하면서 전자석이 못을 끌어당기는지 살펴보자. ② 나침반을 이용하여 전자석에도 N극과 S극이 있는지 알아보자.③ 에나멜선에 흐르는 전류의 방향을 바꾸면 전자석의 극이 어떻게 바뀌는지 살펴보자.

결과

① 전류를 흐르게 하면 못을 끌어당기고 멈추면 못을 끌어당기지 못하는 것으로 보아 전자석은 전류가 흐르는 동안에만 자석이 됨을 알 수 있다.② 전자석의 한쪽 끝은 나침반의 S극을 끌어당기고 반대쪽 끝은 N극을 끌어당긴다. 전자석에도 N극과 S극이 있음을 알 수 있다.③ 에나멜선을 흐르는 전류의 방향을 바꾸면 전자석의 극도 바뀐다. 이는 영구자석과는 달리 전자석은 전류의 흐름을 바꾸어 극의 방향을 자유로이 바꿀 수 있음을 확인시켜 준다.

전자석의 세기 조절 실험

전자석의 세기는 코일을 감은 횟수에 비례한다. 전자석의 자기력의 세기는 코일을 감은 횟수와 상관 관계가 있는지 알아본다.

준비물

전류계, 건전지, 못, 전지끼우개, 코일을 100번 감기한 전자석과 200번 감기한 전자석 각 1개씩을 준비한다.

실험관찰

① 코일을 100번 감은 전자석과 200번 감은 전자석에 각각 같은 건전지를 연결하여 흐르는 전류의 세기를 전류계로 재어보자.② 두 전자석을 직렬로 연결하여 못이 달라붙은 개수로 자기력의 세기를 비교해 보자.

결과

① 200번 감은 전자석에 흐르는 전류가 더 강하다. 이것은 코일의 길이에 따라 전류의 세기가 달라지기 때문이다.② 200번 감은 전자석이 더 많은 못을 끌어당긴다. 코일을 많이 감을수록 자기력이 세어짐을 알 수 있다.

전동기가 도는 원리

전동기는 전류가 흐를 때만 자기장이 생기는 전자석의 성질을 이용해 만든 것이다. 전동기는 전자석의 성질을 이용한 대표적인 기구이다. 전동기는 전자석의 어떤 특징을 이용해 만들어졌으며, 어떻게 돌아가는지 그 원리를 이용하여 간단한 모형 전동기를 만들어 본다.

준비물

에나멜선, 굵은 구리선, 받침대, 클립, 둥근 자석

실험관찰

① 에나멜선의 한쪽 끝을 받침대에 걸릴 만큼 길게 남기고 클립의 가운데에서 감기 시작한다. 길게 남긴 에나멜선에 조금 굵은 에나멜선을 겹쳐 잡고 클립의 끝까지 감은 다음에 겹쳐서 겹으로 가운데 쪽으로 감아 반대편 끝까지 감고 다시 가운데 쪽으로 겹쳐서 감는다.② 처음에 남긴 에나멜선에 함께 꽂아 두었던 조금 굵은 에나멜선 도막을 빼어낸 틈으로 에나멜선을 꿰뚫어 양쪽으로 뽑은 다음 길게 남겨 자른다. 길게 남긴 선의 한쪽은 모두 에나멜을 벗기고, 반대쪽은 에나멜을 반만 벗긴다. ③ 둥근 자석의 양쪽에 구리선을 M자 모양으로 만든 받침대를 고정시킨다. 받침대 중간에 N극을 위로 하여 둥근 자석을 셀로판 테이프로 붙인다.

결과

① 전동기에 내에 있는 전자석에 전류를 흐르게 하면 전자석 주위에 자기장이 생기므로 전동기가 돌아간다. 길게 뻗은 에나멜선의 반쪽만 벗긴 곳이 M자 모양의 받침대에 닿을 때만 전류가 흘러 전자석이 되므로 서로 밀치게 되어 클립이 돌게 된다. 클립이 반 바퀴 돌았을 때 전자석의 서로 다른 극끼리 당기는 힘이 작용하다가 전류가 끊기게 되면 회전하던 관성의 힘으로 계속 돌게 된다.② 도는 힘에 의해 M자 모양의 받침대에 다시 에나멜선의 벗겨진 곳이 닿으면 반복하여 전류가 흐르고 끊기며 밀치고 당기는 힘이 계속 작용하게 되어 전동기가 회전하게 된다.③ 전류가 흐르고 안 흐름에 따라 전동기가 돌기도 하고 안 돌기도 한다. 전동기는 전류가 흐를 때만 자기장이 생기는 전자석의 성질을 이용한 것이다.

벨의 작동 원리

벨은 스위치인 버튼을 누르고 있는 동안 계속 울린다. 벨은 어떤 구조로 이루어졌으며, 벨이 울리는 원리는 무엇인지 알아본다.

준비물

건전지, 벨, 전지 끼우개, 스위치, 도선, 기록장, 필기 도구

실험관찰

① 벨 커버를 떼고 벨은 어떤 구조로 되어 있는가를 잘 관찰한다.② 버튼 대신에 스위치를 사용하고, 건전지에 도선을 연결하여 벨이 울리는 모양을 알아본다.

결과

전자석과 전자석 앞에 쇳조각이 있는데 쇳조각을 전자석에 밀어붙이면, 쇳조각 끝에 붙어 있는 공이 벨을 친다. 스위치를 눌러 전류를 흘려 보내면 전자석은 자석이 되어, 전자석 앞에 있는 쇳조각을 끌어당긴다. 그때 쇳조각 끝에 붙어 있는 공이가 벨을 친다. 쇳조각이 전자석에 끌려 오면 접점이 떨어진다. 그러면 전자석에 전류가 흐르지 않게 되어 전자석은 쇳조각을 끌어 당기지 않게 된다. 쇳조각이 용수철의 힘으로 제자리로 돌아오면 다시 접점이 붙으므로 전류가 흘러 전자석에는 자기력이 생기고 쇳조각을 다시 끌어당긴다. 이러한 일을 되풀이하므로 스위치를 누르고 있는 동안은 계속 벨이 울리게 된다.