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Oct 01. 2024
우린 아이언맨이 아니잖아요?
인력, 척력, 앙페르의 오른손 법칙, 아이언맨 돌아와요 ㅠ
'아이언맨 따라 했다가 응급실 간 중국남성'
이라는 기사 본 적 있으신가요? 공장에서 근무하던 이 남성은 폭발 사고로 인해 허벅지에 금속 파편이 박혔습니다. 하지만 병원에 가지 않았다고 하는데요. 이유는 아이언맨을 따라 하기 위해서였다고 합니다. 영화 '아이언맨'에서 전자석을 이용해서 금속 파편을 추출하는 장면이 인상적이어서 이를 따라 했더니, 오히려 더 큰 통증만 유발했다고 하네요. 이 남성의 무모한 도전이 어이없기도 했지만 전자석을 일상에서 활용했다는 것에 존경을 표합니다.
페퍼~ 아이언맨 다시 살려줘요 ㅠ전자석은 전류가 흐르는 도선을 이용하여 만든 자석입니다. 전류가 흐르는 도선 주변으로 자기장이 형성됩니다. 이를 증명한 것이 바로 앙페르의 오른손 법칙입니다. 엄지손가락 끝의 방향을 전류가 흐르는 방향으로 놓고 나머지 손가락으로 도선을 감싸 잡으면, 손가락이 감싸는 방향으로 자기장이 발생합니다(아래 그림의 아래쪽 손). 이 도선을 코일처럼 감게 되면 엄지손가락 방향이 자기장이 되고, 나머지 손가락이 전류가 흐르는 방향이 됩니다(아래 그림의 위쪽 손). 이는 역할이 달라지는 게 아니라 코일선 하나를 손으로 잡기 어려우니, 코일 전체를 손으로 잡다 보니 방향만 달라진 것입니다.
중요한 건 자기장은 전류방향에 수직으로 발생한다는 거죠!도선에 흐르는 전류에 의해 발생한 자기장은 점점 퍼져나가면서 강도는 약해지지만 넓은 범위로 영향을 미칩니다. 이 자기장으로 전자석의 힘을 발생합니다. 여기서 주의할 점은, 자기장은 도선 주변을 맴돌며 퍼지기 때문에 도선에서 발생한 자기장은 그 도선에 영향을 주지 않습니다. 오히려 다른 도선에 영향을 주어 끌어당기거나 밀어내는 힘을 발생합니다.
①과 ②도선을 위아래로 약간의 간격을 두어 나란히 놓인 상황입니다. 앙페르의 오른손 법칙에 따라 엄지손가락 끝이 왼쪽에서 오른쪽으로 향하도록 전류가 흐르는 방향으로 놓고, 나머지 손가락으로 도선을 감싸면, ①도선의 위쪽에서 아래쪽으로 회전하면서 ①자기장(①도선에서 발생한 자기장)이 발생합니다. ①자기장의 방향을 다르게 표현하면, ①도선 위쪽의 자기장은 화면 밖으로 나오는 방향으로 흐른다면, ①도선 아래쪽의 자기장은 화면 안으로 들어가는 방향으로 흐릅니다.
F(힘)는 B(자기장)와 I(전류)가 만나서 발생되요~이어서 ①자기장은 점점 퍼져나가다가 아래에 있는 ②도선에 영향을 줍니다. ①자기장은 ②도선에서 화면 안으로 들어가는 방향으로 자기력을 가합니다. ②도선도 왼쪽에서 오른쪽으로 전류가 흐르는 상황이므로, 플레밍의 왼손 법칙(이전 글인 '손풍기 안 갖고 왔어?'를 참고하세요)에 따라 둘째 손가락은 화면으로 들어가는 방향으로 향하고(①자기장의 방향; B1), 셋째 손가락은 오른쪽으로 향하게 하면(②도선의 전류 방향; I2), 엄지 손가락은 위쪽(②도선이 ①도선 쪽으로 움직이는 힘; F2)을 향하게 됩니다.
②도선에서도 왼쪽에서 오른쪽으로 전류가 흐르기 때문에 자기장이 발생합니다. 앙페르의 오른손 법칙에 따라 엄지손가락 끝이 왼쪽에서 오른쪽으로 향하도록 전류가 흐르는 방향으로 놓고, 나머지 손가락으로 도선을 감싸면, ②도선의 위쪽에서 아래쪽으로 회전하면서 ②자기장(②도선에서 발생한 자기장)이 발생합니다. ②자기장의 방향을 다르게 표현하면, ②도선 위쪽의 자기장은 화면 밖으로 나오는 방향으로 흐른다면, ② 도선 아래쪽의 자기장은 화면 안으로 들어가는 방향으로 흐릅니다.
이어서 ②자기장은 점점 퍼져나가다가 위에 있는 ①도선에 영향을 줍니다. ②자기장은 ①도선에서 화면 밖으로 나가는 방향으로 자기력을 가합니다. ①도선도 왼쪽에서 오른쪽으로 전류가 흐르는 상황이므로, 플레밍의 왼손 법칙에 따라 둘째 손가락은 화면에서 밖으로 나오는 방향으로 향하고(②자기장의 방향; B2), 셋째 손가락은 오른쪽으로 향하게 하면(①도선의 전류 방향; I1), 엄지 손가락은 아래쪽(①도선이 ②도선 쪽으로 움직이는 힘; F1)을 향하게 됩니다.
위와 같이 ①도선의 자기장에 의해 ②도선이 위쪽으로 이동하고, ②도선의 자기장에 의해 ①도선이 아래쪽으로 움직이면 두 도선이 서로 만나겠군요? 이처럼 평행한 두 도선에서 흐르는 전류의 방향이 같으면, 두 도선이 서로 당기는 힘인 인력(引力)이 발생합니다.
그렇다면 두 도선에 흐르는 전류의 방향이 서로 반대라면 어떻게 될까요? ①도선은 왼쪽에서 오른쪽으로 전류가 흐르고, ②도선은 오른쪽에서 왼쪽으로 전류가 흐르는 상황입니다. ①도선에서 발생한 ①자기장이 ②도선에 영향을 미쳐서 ②도선을 아래쪽으로 이동시키고, ②도선에서 발생한 ②자기장이 ①도선에 영향을 미쳐서 ① 도선을 위쪽으로 이동시킵니다. 이처럼 두 도선에서 흐르는 전류의 방향이 서로 반대라면, 두 도선이 서로 밀어내는 힘인 척력(斥力)을 발생합니다.
이러한 인력과 척력의 원리는 자기 부상열차에서 사용하는 방법입니다. 속력을 낼 때는 척력으로 철도와 바퀴사이의 마찰을 줄이고, 멈출 때는 인력으로 철도와 바퀴사이의 마찰을 늘리죠. 중국남성의 무모한 도전덕에 아이언맨에서 자기 부상열차까지 왔네요. 물리적인 현상을 일상생활에 적용하는 것도 좋지만, 다치거나 아플 때는
꼭 병원에서 전문가와 상의하세요!
