통합과학 중3 전기와 자기 심화

전자기 유도 기초

자기장 변화에 의한 유도 전류 발생 원리(패러데이 법칙 기초)와 발전기·변압기의 원리를 이해한다.

코일을 지나는 자기장이 변하면 코일에 전류가 흐르는 현상으로, 이때 흐르는 전류를 유도 전류라고 하며 발전기와 변압기가 모두 이 원리로 작동합니다.

자석을 코일 안에 '넣는 동안'과 '빼는 동안'에만 바늘이 움직이고, 가만히 넣어 두면 아무 일도 일어나지 않습니다. 전자기 유도가 반응하는 것은 자석의 존재가 아니라 자석의 '움직임'입니다.

쉽게 말하면

전기와 자기에서 전류가 흐르면 자기장이 생긴다는 것을 배웠습니다. 전자기 유도는 그 반대 방향의 이야기입니다 — 자기장이 변하면 전류가 생깁니다. 다만 조건이 하나 붙습니다. 자기장이 '있다'가 아니라 '변한다'여야 합니다.

코일을 지나는 자기장이 세지거나 약해지는 동안에만 유도 전류가 흐릅니다. 자석을 빨리 움직일수록, 자석이 셀수록, 코일을 많이 감을수록 유도 전류가 커집니다. 자석을 넣을 때와 뺄 때는 자기장의 변화 방향이 반대이므로 전류의 방향도 반대가 됩니다.

유도 전류는 언제나 '변화를 방해하는 방향'으로 흐릅니다. 자석의 N극을 코일에 밀어 넣으면 코일은 그 자석을 밀어내는 쪽이 되고, 자석을 빼려 하면 붙잡는 쪽이 됩니다. 그래서 발전기를 돌리는 데 힘이 듭니다. 이 힘이 곧 전기 에너지의 출처입니다 — 전기는 공짜로 생기는 것이 아니라, 우리가 코일을 억지로 돌리며 넣어 준 역학적 에너지가 모습을 바꾼 것입니다.

발전기는 자석 사이에서 코일을 회전시켜 코일을 지나는 자기장을 계속 변하게 만드는 장치입니다. 수력·화력·풍력 발전소는 물·수증기·바람으로 이 코일을 돌리는 방법만 다를 뿐, 전기를 만드는 원리는 모두 같습니다. 변압기는 한쪽 코일에 흐르는 교류가 만드는 변하는 자기장으로 다른 쪽 코일에 전류를 유도하는 장치이고, 감은 수의 비를 바꿔 전압을 올리거나 내립니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

코일과 검류계, 그리고 자석

자석을 코일에 넣는 동안 검류계 바늘이 한쪽으로 흔들리고, 멈추면 0으로 돌아오고, 뺄 때 반대쪽으로 흔들립니다. '넣은 상태'가 아니라 '넣는 동안'에만 전류가 흐른다는 사실을 눈으로 확인할 수 있는 실험입니다.
예시 2

자전거 발전기(다이나모)

바퀴에 붙은 발전기가 돌아가면 전조등이 켜집니다. 페달을 밟는 다리의 역학적 에너지가 전기 에너지로 바뀌는 것이고, 그래서 전조등을 켜면 페달이 더 무겁게 느껴집니다.
예시 3

송전할 때 전압을 높이는 이유

같은 전력을 보낼 때 전압을 높이면 전류가 작아집니다. 전선에서 열로 새어 나가는 손실은 전류가 클수록 커지므로, 변압기로 전압을 크게 올려 보낸 뒤 도착지에서 다시 낮춥니다. 변압기가 전기를 더 만들어 주는 것이 아니라 전압과 전류를 맞바꿔 주는 것입니다.

자주 하는 오해

자석을 코일 안에 넣어 두면 전류가 계속 흐른다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움센 자석을 코일 속에 넣어 두면 계속 전류가 흐를 것이다

실제로는자석이 멈춰 있으면 자기장이 변하지 않으므로 유도 전류는 흐르지 않습니다.

전자기 유도의 주인공은 '자기장'이 아니라 '자기장의 변화'입니다. 강한 자석을 코일 속에 가만히 넣어 둔 상태는, 자석이 아예 없는 상태와 마찬가지로 유도 전류가 0입니다. 만약 가만히 있어도 전류가 흐른다면 아무 대가 없이 전기를 얻는 셈이 되어 에너지 보존에 어긋납니다.

발전기와 변압기가 에너지를 만들어 낸다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움발전기는 전기 에너지를 만들고, 변압기는 전압을 올려 전기 에너지를 늘린다

실제로는발전기는 역학적 에너지를 전기 에너지로 '바꾸는' 장치이고, 변압기는 전압을 올린 만큼 전류를 낮춰 전력을 그대로 유지하는 장치입니다.

에너지는 만들어지지 않습니다. 발전기의 코일을 돌리려면 물이든 바람이든 연료든 무언가가 일을 해 줘야 하고, 그 일의 양만큼만 전기가 나옵니다. 변압기도 마찬가지여서, 전압을 두 배로 올리면 전류가 대략 절반이 됩니다. 전압만 보고 '전기가 세졌다'고 읽으면 안 되는 이유입니다.