전자기 유도 현상에 대한 이해

전기 에너지는 전류가 흐를 때 공급되는 에너지를 뜻하며, 에너지이므로 단위로는 일의 단위인 J(줄)을 사용하는데요, 이 전기 에너지를 어떻게 발생시키는지 이해하고, 발전기의 원리를 알기 위해서는 전자기 유도 현상에 대한 이해가 필요하기 때문에 발전기의 원리를 요약하기에 앞서 간략하게 작성해 보겠습니다.

 

전자기 유도 (Electromagnetic Induction)

코일 주위에서 자석을 움직이면 코일을 통과하는 자기장이 변하면서 코일에 전류가 흐르는 현상이 발견되는데, 이것이 바로 전자기 유도 현상입니다. 이는 자석의 역학적 에너지가 전기 에너지로 전환되기 때문인데요, 예를 들어서 코일을 감은 플라스틱 관에 자석을 떨어뜨리면 코일을 감지 않은 플라스틱 관에 자석을 떨어뜨릴 때보다 자석이 더 늦게 떨어지는 것을 관찰할 수 있는데 이는 자석의 역학적 에너지 일부가 전기 에너지로 전환되면서 역학적 에너지가 감소하였기 때문입니다. 그리고 코일 주위에서 자석을 움직일 때 자기장의 변화로 코일에 전류가 흐르는 것과 마찬가지로 자석 주위에서 코일을 움직여도 코일을 통과하는 자기장이 변화하므로 코일에 유도 전류가 흐르게 됩니다.

 

전자기 유도 현상, 자석을 코일에 가까이 가져가거나 멀어지게 할 때 유도 전류가 흐른다.

 

유도 전류의 방향 (Induced Current)

전자기 유도에 의해 코일에 흐르는 전류는 유도 전류라고 합니다. 강한 자석을 움직일수록, 코일의 감은 수가 많을수록, 그리고 자석을 빠르게 움직일수록 유도 전류의 세기가 세지게 됩니다. 그리고 위의 이미지를 보면 알 수 있듯이 자석을 코일에 가까이할 때와 멀리 할 때 서로 반대 방향으로 유도 전류가 흐르는 것을 확인할 수 있습니다. 이는 코일을 통과하는 자기장의 변화를 반대하는 방향으로 유도 전류가 흐르기 때문인데요, 위에 보면 자석의 N극을 가까이하면 자석과 가까운 코일의 끝부분이 N극이 되면서 서로 척력이 작용하게 되고, 자석의 N극을 코일로부터 멀어지는 방향으로 움직이면 자석과 가까운 코일의 끝부분이 S극이 되면서 인력이 작용하게 되죠. 이렇게 자기력이 반대로 작용하게 되는데, 자석의 움직임을 방해하는 방향으로 유도 전류의 방향이 결정된다고 생각을 하면 됩니다.

 

코일과 자석, 그리고 검류계를 통해서 전자기 유도 현상과 유도 전류에 대해 확인할 수 있는데, 아래와 같이 정리할 수 있겠습니다.

 

• 자석이 코일 주변에서 정지해 있을 때 : 코일을 통과하는 자기장의 변화가 없으므로 검류계 바늘이 움직이지 않습니다. 전류가 흐르지 않는 것입니다.
• 자석을 코일에 가까이 가져갈 때 : 검류계 바늘이 돌아가면서 전류가 흐르는 것을 관찰할 수 있습니다. 여기서 N극을 가까이하면 코일의 가까운 부분을 통과하는 자기장이 증가하는데 자석을 밀어내도록 코일의 그 부분에 N극이 유도가 됩니다. 반대로 S극을 가까이하면 자석을 밀어내도록 코일의 끝부분에 S극이 유도가 되죠. 자석의 N극을 가까이할 때와 S극을 가까이할 때 유도 전류의 방향도 반대가 됩니다.
• 자석을 코일에서 멀리 할 때 : 역시 검류계 바늘이 돌아가면서 전류가 흐르는 것을 관찰할 수 있는데, 검류계 바늘이 자석을 코일에 가까이 가져갈 때와 반대로 돌아가게 됩니다. N극을 멀리하면 코일의 끝부분을 통과하는 자기장이 감소하게 되는데 자석을 끌어당기도록 코일의 끝부분에 S극이 유도됩니다. 반대로 S극을 멀리 하면 자석과 인력이 작용하도록 코일의 끝부분에 N극이 유도가 되죠. 물론 N극과 S극을 코일로부터 멀어지도록 움직일 때 각각 흐르는 유도 전류의 방향은 반대가 됩니다.

 

전자기 유도 실험 (LED 불 밝히기)

전기 에너지가 만들어지는 원리를 확인하기 위해서 아래와 같은 간단한 실험을 할 수가 있습니다.

 

1. 플라스틱 관에 에나멜선을 감아 코일을 만들고 에나멜선 양 끝을 사포로 문지른 다음 발광 다이오드(LED, Light Emitting Diode)를 연결합니다. 여기서 에나멜선 양 끝을 사포로 문지르는 이유는 절연 물질인 에나멜선이 감싸고 있는 구리선의 양 끝 표면에 구리가 산화되었을 수도 있고, 이물질이 있을 수도 있기 때문입니다. 전선의 양 끝을 통해 전류가 잘 흘러야 하니까요.
2. 플라스틱 관에 네오디뮴(Neodymium) 자석을 넣고 관의 양쪽을 마개로 막은 후에 흔들면서 발광 다이오드(LED)를 관찰합니다. 네오디뮴은 원소 기호가 Nd로 희토류의 하나인데, 네오디뮴 자석은 네오디뮴과 붕소(B), 철(Fe)을 적당량 결합시켜 만든 강력한 영구자석으로 이해하고 있으면 되겠습니다.

 

전자기 유도로 전기 에너지를 발생시키는 실험, 코일을 감은 플라스틱 관에 자석을 통과시키면 전기 에너지가 발생되는 원리에 따라 LED를 밝힐 수 있다. 이미지 출처: thekidsshouldseethis.com

 

위의 실험 결과는 예상하다시피 자석이 코일을 통과하도록 플라스틱 관을 흔들게 되면 LED에 불이 켜지는 것을 관찰할 수 있습니다. 이는 전자기 유도 현상이 발생하고 코일에 유도 전류가 흐르는 것으로 자석의 역학적 에너지가 전기 에너지로 전환되는 것입니다. 그리고 플라스틱 관을 흔드는 동안 LED의 불이 켜졌다 꺼졌다를 반복하게 되는데 자석이 움직이는 방향에 따라서 유도 전류가 흐르는 방향이 달라지기 때문으로 발광 다이오드(LED)는 긴 다리에서 짧은 다리의 방향으로 한쪽 방향으로만 전류가 흐르게 되어 있어서 그렇습니다.

LED는 긴 다리에서 짧은 다리의 방향으로만 전류가 흐른다.

 

플라스틱 관을 더 빠르게 흔들면 LED의 불이 더 밝아지는 것 역시 확인할 수 있는데, 자석이 빠르게 움직일수록 유도 전류의 세기가 세지는 것을 기억해 보면 됩니다.

 

참고로, 이 실험을 이용하여 전기 에너지를 저장할 수 있는 Capacitor를 포함한 PCB(Printed Circuit Board)를 연결하면 흔들이 랜턴을 제작할 수 있습니다.

 

전자기 유도 현상을 이용한 발전기의 원리에 대해서는 아래 링크를 참조하시면 도움이 될 수 있습니다.

2024.01.02 - [과학] - 발전기의 원리

발전기의 원리