맴돌이전류-가상실험

  

 

 

맴돌이 전류가 흐르면 줄열이 발생되므로 에너지 손실이 생긴다. 원판 위에서 자석의 N극을 가까이 하여 원둘레를 따라 회전시키면 원판은 자석의 운동 방향으로 따라서 회전한다. 

 

 

왜냐하면 이때, 원판의  A부분에는 접근할려는 자석에 의한 자기력선의 증가를 방해하도록, 원판 윗면 A에 N극을 생기게 하는 맴돌이(소용돌이) 전류가 생겨서 흐르고, B부분에는 멀어질려는 자석에 의한 자기력선의 감소를 방해하도록 원판 윗면이 S극이 생기도록 맴돌이 전류가 발생하여 흐르게 되기 때문이다.

 

맴돌이 전류를 방지하는 방법은 ①서로 절연된 많은 판을 겹쳐서 아래 그림(b)처럼 맴돌이 전류의 흐름을 방지하도록 한다. ②구리판이나 철심 등의 틈(slit)을 여러 개 만들면 맴돌이 전류가 끊기게 되어 맴돌이 전류에 의한 열의 발생을 줄일 수 있다. 

     

그림(c)와 그림(d)는 물체가 자기장과 멀어질 때, 자기장이 약해지는 것을 방해하기 위해 외부 자기장과 같은 방향의 자기장을 만들기 위해 도체에 맴돌이 전류 i가 만들어지는데, 이 i에 의해 속도와 반대 방향으로 힘이 발생해 운동을 정지시키려 한다는 것을 나타낸다. 이렇게 유도된 자기력은 마찰력과 유사한 성질을 갖는다. 

 

 

아래 내용은 맴돌이 전류와 관련된 현상들입니다.

 

 

-소리없는 브레이크에서 불꽃 없는 조리기까지 2007년 03월호(출처 : 과학동아)

가족과 함께 떠나는 즐거운 해외여행. 들뜬 마음으로 비행기에 오르기 전 안전검색을 위해 지나가야 할 문이 있다. 문을 통과하면 공항 직원이 밥주걱처럼 생긴 막대기로 온몸을 뒤진다.

금속성 물체는 미리 모두 꺼내놓으라는 직원의 말을 흘려들어 작은 열쇠라도 갖고 있던 사람은 ‘삐~ 삐~’ 소리에 당황하며 주머니를 죄다 뒤집어야 한다. 금속이라면 귀신같이 찾아내는 이 기계는 금속탐지기다.
 

 

 

꼭꼭 숨은 금속 찾아내는 맴돌이 전류

 

-대통령 몸속의 총알을 찾아라!

금속탐지기는 전화기를 발명한 미국의 그레이엄 벨이 1881년 당시 미국 대통령이던 제임스 가필드가 저격당했을 때 몸속에 박힌 총알을 찾는데 처음 사용했다. 벨의 금속탐지기는 비록 총알을 찾는데 실패했지만 나중에 지뢰탐지기로 활용됐다. 현재 많이 사용하는 간편한 휴대용 금속탐지기는 1931년 미국의 게르하르트 피셔가 만들어 특허를 얻은 제품이 시초다.

금속탐지기는 어떻게 금속을 찾는 걸까. 덴마크의 한스 외르스테드는 1820년 나침반 위에 도선을 놓고 전류를 흘리면 나침반 바늘의 방향이 바뀌는 현상을 처음 발견했다. 그는 대중강연을 할 때 항상 이 장치를 갖고 다니며 시범을 보였다. 강연에 모인 사람들의 반응은 폭발적이었다.

도선에 전류를 흘릴 때 그 주위에 자기장이 생기는 이 현상을 응용하면 전류가 흐를 때만 쇠붙이를 끌어당기는 자석도 만들 수 있다. 이런 자석을 ‘전자석’이라고 한다. 둥근 막대 위에 도선을 여러 번 감아 전류를 흘리면 자석처럼 쇠를 잡아당긴다.

도선에 전류가 흐르면 자석이 되지만, 거꾸로 자석을 움직이면 전류를 만들 수 있다. 이 현상은 1831년 영국의 마이클 패러데이가 처음 발견했다. 자석 옆에 전류가 잘 흐르는 구리선을 감아 코일을 만들고 그 주위에서 자석을 흔들면 코일에 전류가 유도돼 흐른다. 거꾸로 구리코일을 흔들어도 전류가 흐르는 것은 마찬가지다. 이 현상을 ‘패러데이의 법칙’이라고 부른다.

그런데 구리판이나 동전 같은 경우는 구리도선처럼 전류가 흐르는 길이 정해져 있지 않아 전류가 소용돌이 모양으로 흐른다. 이 전류를 ‘맴돌이 전류’(eddy current)라고 부른다.

금속탐지기는 맴돌이 전류를 이용해 금속을 찾는다. 금속탐지기 내부를 들여다 보면 커다란 코일이 들어있다. 이 코일에 교류 전류를 흘리면 N극과 S극이 계속해서 뒤바뀌는 전자석이 만들어진다. 그 옆에 작은 코일을 수직으로 세워놓는데, 이 작은 코일이 금속을 찾는 검출기 역할을 한다.

금속탐지기로 땅 속에 묻혀 있는 금화를 찾는다고 하자. 큰 코일이 만드는 자기장이 땅 속을 뒤지다가 금화가 있는 곳에 다다르면 금화에 맴돌이 전류가 발생한다. 금화는 전류가 잘 흐르는 도체이기 때문이다.

이렇게 금화에 맴돌이 전류가 흐르면 이번에는 금화가 자기장을 만들어낸다. 이때 큰 코일 옆에 있는 작은 코일이 금화가 만든 작은 자기장의 변화를 감지해 전기신호를 보낸다. 물론 금화가 없는 지점에서는 어떤 반응도 일어나지 않는다.

현재 많이 쓰는 금속탐지기는 큰 코일에 교류전류를 흘리지는 않는다. 대신 전류를 짧게 끊어 반복적으로 보낸다. 그러면 금속탐지기 속 큰 코일이 만들어내는 자기장에 금속에서 발생하는 맴돌이 전류의 자기장이 메아리처럼 반응한다. 공항에서 볼 수 있는 금속탐지기도 이 같은 원리를 이용해 만든다.
 

 

 

[맴돌이 전류 발생 과정] 도선으로 코일을 만들어 전류를 흘리면 코일 주변에 자기장이 발생한다. 전류를 높이거나 낮추면 자기장에 변화가 생겨 코일 아래 구리판에 맴돌이 전류가 흐른다.

 

-롤러코스터가 부드럽게 멈추는 이유

롤러코스터의 브레이크도 맴돌이 전류를 이용한다. 궤도를 따라 빠른 속도로 달리던 롤러코스터가 출발 지점에 돌아와 멈출 때를 떠올려 보자. 자동차처럼 롤러코스터 바퀴와 브레이크 라이닝을 마찰시켜 속도를 줄인다면 ‘끽’하는 큰 소리를 내거나 불꽃이 튈 법도 한데 전혀 그렇지 않다. 여기에는 어떤 비밀이 숨어 있는 걸까.

롤러코스터 객차의 밑 부분에는 무거운 구리판이 붙어 있다. 그리고 도착지점에는 강한 영구자석이 있다. 롤러코스터가 정해진 코스를 다 돌고 영구자석이 있는 지점에 가까이 가면 구리판에 순간적으로 강한 맴돌이 전류가 흐른다.

전류가 흐른다는 것은 전기에너지가 만들어진다는 뜻이다. 이 에너지는 어디서 나오는 걸까. 롤러코스터의 운동에너지가 전기에너지로 전환된 것이다. 즉 맴돌이 전류가 많이 발생할수록 롤러코스터는 그 만큼 운동에너지를 잃는다. 롤러코스터는 속도가 줄어들어 결국 멈춘다는 뜻이다.

자동차의 브레이크가 바퀴와 브레이크 라이닝을 마찰시켜 자동차의 운동에너지를 열에너지로 바꾼다면 맴돌이 브레이크는 롤러코스터의 운동에너지를 구리판의 전기에너지로 바꾸는 셈이다. 롤러코스터에 쓰이는 이런 브레이크를 ‘맴돌이 브레이크’라고 부른다.

맴돌이 브레이크는 바퀴와 레일의 마찰을 이용하지 않기 때문에 시끄러운 소리도 나지 않고 브레이크가 닳아 미끄러지지도 않는다. 다만 구리판에 전류가 흐르면 저항 때문에 구리판이 갑자기 뜨거워진다. 하지만 주위에 있는 공기가 이 열을 빨리 식혀준다.
 

 

 

[금속탐지기 작동 원리] 금속탐지기는 금속에 유도되는 맴돌이 전류의 자기장을 검출해 금속을 찾는다.

 

-불꽃없이 냄비 데운다

맴돌이 전류로 뜨거워진 롤러코스터 브레이크 장치의 구리판에 라면을 끓여 먹을 수는 없을까. 이런 엉뚱한 생각을 실현한 조리장치가 있다. ‘ 유도조리장치’라고 부르는 이 전열기는 맴돌이 전류를 이용해 냄비나 프라이팬을 뜨겁게 달군다.

이 장치는 장작불이나 가스레인지, 전자레인지처럼 타오르는 불꽃도 없고 벌겋게 달아오른 코일모양의 가열판도 없다. 다만 둥그런 판에 금속 조리기를 올려놓고 전원을 켜면 바로 금속 용기가 뜨겁게 달아오른다.

유도조리장치에는 자기장을 변하게 만드는 코일이 들어 있다. 이 위에 금속으로 만든 냄비를 올려놓으면 냄비 바닥에 맴돌이 전류가 흐르고 냄비의 저항 때문에 열이 발생한다. 따라서 유도조리장치 자체에는 전혀 열이 발생하지 않는다.

유도조리장치는 가스레인지나 전기레인지보다 좋은 점이 많다. 유도조리장치는 냄비 자체가 열을 만들기 때문에 가스레인지 불꽃처럼 바깥으로 새는 열이 없어 열효율이 매우 높고 냄비도 빨리 가열된다. 게다가 연기나 가스를 배출하지 않아 환경친화적이다.

다만 돌솥 같은 부도체를 이 조리기구 위에 올려놓으면 맴돌이 전류가 생기지 않으므로 조리를 할 수 없는 단점이 있다.

맴돌이 전류는 금속 안에서 제멋대로 흐르는 전류기 때문에 대부분 전기 장치의 작동을 방해하는 존재였고 과학자들은 되도록이면 이를 없애려고 노력했다. 하지만 요즘은 오히려 맴돌이 전류를 이용해 편리한 도구를 많이 만들어 사용하고 있다.
 

 

[유도조리장치의 원리] 유도조리장치는 열을 전혀 사용하지 않고 금속 냄비의 물을 데운다. 유도조리장치 안에 있는 전류발생장치가 코일에 전류를 흘리면(01) 자기장이 생긴다(02). 자기장 으로 인해 금속 냄비 바닥에 맴돌이 전류가 흐르고 냄 비 저항 때문에 열이 발생한다(03).