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  • 작성자 사진여의도과학 최과학

Michael Faraday 의 전자기 유도 현상에서 유도 전류 방향을 찾는 아주 유용한 꿀팁!

최종 수정일: 2022년 11월 5일



재래식 주물공장에서는 금속을 녹이기 위하여 가열 용광로를 사용하지만, 현대식 공장에서는 전류로 금속을 녹이는 유도 용광로를 사용하여 공기오염을 막고있다. 그러나 금속을 담는 도가니를 감싸고 있는 절연도선 자체는 금속을 녹일만큼 고온이 아니다. 또한 온도가 올라가면 도선이 녹을 수도 있기 때무에 물을 이용하여 냉각시키고 있다.


어떻게 금속이 녹을 정도로 뜨거워질까?


이 글 마지막에 답이 있다.



유도 전류의 방향을 찾는 꿀팁에 대한 설명을 하기 전에 전자기 유도 현상 발견과 응용에 대해서 간단히 설명을 하면, Michael Faraday와 다른 과학자들이 관측한 유도현상은 처음에는 단순한 기초과학이었다. 그러나 오늘날에는 거의 모든 분야에서 유도현상을 응용하고 있다. 예를 들어 놀이공원의 낙하하는 자이로드롭을 멈추게 하는 원리가 전자기 유도 현상이므로 전원이 갑자기 차단되더라도 낙하하는 자이로드롭은 이와 관계없이 안전하게 멈출 수 있다. 따라서 자이로드롭을 타면서 낙하하는 동안 '갑자기 전기가 끊어지면 어떻하지?' 이러한 걱정은 안해도 된다. 삼성 페이를 이용한 결제, 휴대폰 무선 충전, 인덕션 조리기, 전기 기타, 교통카드 충전 및 결제 등 우리 주변에서 유도현상을 이용한 예시를 쉽게 찾아볼 수 있다. 도시와 전철에 동력을 공급하는 전기 발전기의 기본 작동원리 또한 유도현상이다.



19세기 영국의 물리학자 Faraday는 전류고리를 통과하는 자기력선의 수가 변할 때 전류고리에 기전력이 유도된다는 것을 알아냈다. 따라서 Faraday 법칙을 다음과 같이 설명할 수 있다.


# 전류고리에 유도되는 기전력의 크기는 전류 고리를 통과하는 자기다발의 시간적변화율과 코일의 감은수에 비례한다. (출처: Halliday 일반물리학 개정8판)



Faraday가 유도법칙을 제안한 후 곧이어 Heinrich Friedrich Lenz는 전류고리에 유도되는 전류의 방향을 결정하는 Lenz법칙으로 알려진 다음과 같은 규칙을 제안하였다.


# 전류고리에 유도되는 전류는 자기다발의 변화를 방해하는 방향으로 흐른다.

(그래서, 유도기전력 공식에 (-) 부호가 포함되어 있는 것이다.)



실생활에서 전자기유도 현상이 이용되는 예를 조금 더 찾아보자

(왜냐하면 실생활의 예시는 고교 내신 및 모의고사 시험 문제 빈출이다)


아래 사진은 무선 충전하는 사진이다. 어떻게 선으로 연결하지 않아도 무선으로 충전이 가능할까? 물론 전자기유도 현상을 이용하면 가능하다.

무선 충전 말고도 우리 주변의 실생활에 활용하는 전자기유도 현상에는 어떤 것들이 있을까?




간단히 몇 가지만 적어보자면,



자이로드롭을 멈추게 하는 원리

무선 충전 원리

일렉트릭 기타 원리

금속 탐지기 원리

마이크 원리

발전기 원리

전동칫솔 충전 원리

교통카드 결제 및 충전 원리

삼성페이 원리

하드디스크 정보를 재생하는 원리

카세트테이프 재생하는 원리

마트 도난방지 장치 원리

인덕션 원리

하이패스 결제 원리 등등





우리의 실생활에 정말 편리하게 사용하는 교통카드의 원리가 영국의 위대한 물리학자 마이클 패러데이( 1791~1867 )의 연구결과 덕분이다.

위의 예시들은 모두 전자기유도 현상을 이용한 것으로 현재 우리는 전자기 유도현상 덕분에 편리한 생활을 누리고 있다.


내신과 대입을 준비하는 학생은 전자기 유도 현상에서 유도 기전력 세기와 유도 전류의 방향을 찾고, 코일과 자석사이의 상호작용하는 힘의 방향을 구하고, 에너지 전환과 보존 관계 등 다양한 문제를 정확하고 빠르게 풀어내야 한다.





전자기 유도 현상에 대한 원리도 알고, 유도 기전력을 증가시키는 방법도 다 알고는 있으나 문제를 풀 때 마다 유도 전류의 방향을 찾는 것을 헷갈려하고, 또한 정답을 맞추면서도 본인 스스로 문제 풀이가 조금 완벽하지 않다고 느끼는 경우가 많은 것 같다.



이때 정말 효과적인 학습방법을 한 마디로 말하자면

'문제를 풀 때 반드시 글쓰기를 하라'는 것이다.

이것만 지킨다면 어떤 유형의 문제가 출제되더라도 모두 해결할 수 있다.


'학습'배우고 익히는 과정이다. 글쓰기를 통해서 본인의 생각을 정리하고 이것을 글로 나타낼 수 있다면 개념 이해는 물론이고 이것을 응용할 능력도 가지게 된 것이다.


따라서 전자기 유도현상에서 문제에 주어진 상황을 글로 표현하여 나타내는 연습을 해보자.


딱 4가지 경우만 해보면 된다.

고등학교 교육과정에서 유도 전류의 방향에 대한 기본적인 경우의 수는 총 4가지뿐이다.




1. N극과 코일이 서로 가까워질 때







코일의 단면을 위에서 아래로 통과하는 자석의 자기력선이 하므로,

코일은 아래에서 위로 코일의 자속이 형성되도록 코일에 유도전류가 발생한다.



이러한 자연현상의 원리를 물리학1에서는 아래와 같이 설명하고 있다.


'자속의 변화가 생기면 유도 전류가 발생하고,

자속의 변화를 방해하려는 방향으로 유도 전류가 흐른다! '



이와 같이 글쓰기를 한다면, 코일에 발생하는 유도 전류의 방향을 정확하게 찾을 수 있을 것이다.




p.s. 수 많은 실험을 통해서 이러한 자연현상을 알아내고 그 자연현상에서 일정한 규칙과 원리를 밝혀내는 것이 과학입니다. 과학자들이 밝혀 낸 과학적 원리를 배우고 익혀서 미래에 여러분들이 세상의 흐름을 새롭게 바꾸는 훌륭하고 멋진 인재가 되길 바랍니다.





다시 한 번 더 해보자. 글쓰기!


2. N극과 코일이 서로 멀어질 때







코일의 단면을 위에서 아래로 통과하는 자석의 자기력선이 감소 하므로,

코일은 위에서 아래로 코일의 자속이 형성되도록 코일에 유도전류가 발생한다.




이러한 실험 결과를 가지고 물리학에서는 이와 같이 말하고 있다.

'자속의 변화가 생기면 유도 전류가 발생하고,

자속의 변화를 방해하려는 방향으로 유도 전류가 흐른다! '




즉, 정리하면

코일의 단면을 통과하는 자석의 자속이 증가하면

코일은 그 역방향으로 코일의 자속이 형성되고,


코일의 단면을 통과하는 자석의 자속이 감소하면,

코일은 그 같은 방향으로 코일의 자속이 형성된다.







p.s. 우리 주변 가전 제품에 전자기 유도 현상이 정말 많이 이용되고 있습니다.

휴대폰 무선 충전, 휴대폰 삼성페이 결제, 휴대폰 교통카드 기능, 휴대폰의 마이크 기능, 헤드셋의 마이크 기능, 스마트 워치에서 삼성페이 결제, 노트북의 하드디스크 정보 재생할 때 등 우리가 사용하는 다양한 기기에서 패러데이의 전자기 유도 현상이 이용되고 있습니다.




자, 다시 한 번 더 해보자. 글쓰기!


3. S극과 코일이 서로 가까워질 때




코일의 단면을 아래에서 위로 통과하는 자석의 자기력선이 하므로,

코일은 위에서 아래로 코일의 자속이 형성되도록 코일에 유도전류가 발생한다.


(* 증가하면 역방향으로)



4. S극과 코일이 서로 멀어질 때



코일의 단면을 아래에서 위로 통과하는 자석의 자기력선이 감소하므로,

코일은 아래에서 위로 코일의 자속이 형성되도록 코일에 유도전류가 발생한다.


(* 감소하면 같은 방향으로)




기본적인 코일과 자석의 상대적 운동이 총 4가지 경우가 존재하므로

코일과 자석의 상대적 운동에서 어떤 유형의 문제가 출제 되더라도

이와 같이 글쓰기로 생각을 정리하고 문제풀이 연습을 한다면 유도전류 방향을 찾고 이해하는데 도움이 될 것이다.





*답: 유도 용광로는 금속을 담는 도가니를 절연도선으로 감싸고 있다. 도선에 교류가 흐르면 전류가 방향과 크기가 변하게 된다. 따라서 자기장 또한 크기와 방향이 연속적으로 변하게 된다. 이와 같이 변하는 자기장이 금속 안에 소용돌이 전류를 만들어서 전기에너지가 열에너지로 전환딘다. 이러한 열에너지 소모로 금속의 온도가 녹는점까지 상승하여 금속이 녹게 된다.

(출처: HALLIDAY 일반물리학)




아래 동영상은 고1-통합과학-전자기유도 현상 수업시간에 유도 전류를 찾는 과정을 짧게 편집한 영상입니다.










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