중3 과학 6단원 전기에너지의 발생과 전환 - 전자기 유도
버스나 지하철 등 교통카드를 리더기에 갖다 되면 "승인이 되었습니다."라는 말 들어봤죠? 어떻게 갖다 되면 승인이 될까? 이는 전자기유도 또는 패러데이 법칙이라는 과학적 원리가 숨어 있습니다. 오늘은 중3 때 배우는 전기에너지에서 전자기 유도와 전자기 유도가 실생활에서 어떻게 사용되고 있는지 알아보도록 하겠습니다.
전기에너지
전기에너지는 전류가 흐를 때 공급되는 에너지를 말합니다. 우리 생활에서 전기 에너지는 많은 곳에서 사용하고 있고, 전기 에너지를 변화하여 다른 에너지로도 사용하고 있습니다. 예를 들면, 더울때 선풍기 많이 사용하시죠? 선풍기에 전선을 연결하면 선풍기 안에 있는 바람개비가 돌아가면서 시원한 바람이 나오죠. 이는 전기 에너지가 바람개비를 돌리는 역학적 에너지로 전환이 되는 것입니다. 이처럼 우리 주변에서 전기 에너지를 다른 에너지로 전환하여 사용하고 있다는 것 알고 계세요.
전자기 유도
1학기때 전류에 의해서 자기장이 변하는 것을 배웠습니다. 기억 하시나요?
그림에서 전류에 의하여 자기장이 생긴다는 것을 1학기때 배웠습니다. 오늘은 반대로 자기장의 변화로 전류가 생기는 것을 전자기 유도라고 합니다.
전자기 유도란?
1. 전자기 유도는 코일 주위에서 자석을 움직이면 코일을 통과하는 자기장이 변하면서 코일에 전류가 흐르는 현상을 말합니다. 이때 코일에 흐르는 전류를 유도 전류라고 하죠.
2. 전자기 유도는 자석의 움직임(역학적 에너지)에 의해서 전류가 발생하는 것이므로 자석의 역학적 에너지가 전기 에너지로 전환이 되는 것입니다.
3. 코일 주위에서 자석은 가만히 있고, 코일이 움직여도 자기장이 변하는 것이기 때문에 코일에 유도 전류가 생깁니다.
4. 유도 전류의 방향은 자석이 코일에 가까이 가져갈 때와 멀리 할 때 서로 반대 방향으로 흐르게 됩니다.
그림을 보시면 자석을 코일에 가까이 가져가거나, 코일 안에 있던 자석을 밖으로 꺼내게 되면 자기장의 변화가 생겨서 전류가 흐르게 됩니다. 만약 코일 안에 자석이 움직이지 않으면 어떻게 될까요?
그림처럼 자석이 움직이지 않거나, 코일이 움직이지 않아도 전류는 흐르지 않습니다.
전자기 유도는 왜 발생하는가?
전자기 유도는 관성때문에 생긴다고 보시면 됩니다. 관성은 운동하는 물체는 계속 운동하고 정지한 물체는 계속 정지하려는 성질이죠. 관성이 전자기에도 적용이 됩니다. 자석이 코일쪽에 가까이 가져가면 코일은 원래 자석이 없는 상태를 유지하기 위해 자석을 밀어내려고 하고, 자석을 코일 안에서 밖으로 꺼내려고 하면 코일은 원래 자석이 있는 상태를 유지하기 위해서 자석을 안으로 잡으려고 합니다. 이러한 자석의 움직임이 자기장의 변화를 가져오고 그러면 전류가 발생하게 됩니다. 이때 전류의 방향은 오른손 법칙(엄지는 자기장의 방향, 네 손가락은 전류의 방향이 됩니다.)을 이용하여 찾을 수 있습니다.
그림에서 자석 N극을 코일쪽에 가까이 가져가면 코일은 원래 자석이 없는 상태를 유지하기 위해서 코일 위쪽(자석과 가까운쪽)에 N이 형성되고, 전류의 방향은 B - G - A로 이동하게 됩니다.
이 부분은 현 교과과정에 없기 때문에 간단하게만 보고 넘어갔으면 하네요. (고등과학에 나오네요~)
전자기 유도 실생활에서 사용하는 예
전자기 유도를 이용하여 실생활에서 사용하는 예는 여러가지가 있습니다. 백화점이나 마트에 설치된 도난방지장치, 교통카드 판독기, 카드 리더기, 발전기등이 있습니다.
발전기
발전기는 전자기 유도를 이용하여 위치 에너지나 운동 에너지 같은 역학적 에너지를 전기 에너지로 전환하는 장치를 말합니다. 수력발전소, 풍력발전소, 화력발전소에서 전기를 생산할 때 이런 원리를 이용하여 전기를 생산하죠.
그림에서 바람개비가 돌아가면 자석 안에 코일이 같이 돌아가게 됩니다. 그리고 코일 주변에 자석이 있네요. 정리를 하면, 바람개비를 돌리면 코일이 회전하고 코일이 회전하면 자석의 자기장이 변하게 됩니다. (자석이 움직이거나, 코일이 움직이거나 같기 때문이죠.) 그러면 유도 전류가 생겨서 전구의 불이 켜지게 됩니다. 바람개비를 돌리는 것은 운동 에너지이죠. 근데, 운동에너지는 역학적 에너지로 볼 수 있기 때문에 바람개비의 역학적 에너지가 전기 에너지로 전환이 되는 것입니다.
수력 발전소
수력 발전소는 댐에 물을 가두고나서 물을 하류로 떨어뜨리면서 전기가 발생합니다.
수력 발전소에서 전기가 생산할 때 에너지 전환은 물이 떨어지는 위치 에너지가 터빈(바람개비의 일종)을 돌리고 이는 코일을 회전하게 만들어서 전기가 발생합니다.(물의 위치 에너지 -> 물의 운동 에너지 -> 발전기 역학적 에너지 -> 전기 에너지)
화력 발전소
화력 발전소를 연료를 태워서 물을 끓입니다. 그럼 증기가 발생하여 증기가 터빈을 돌리고 이는 다시 전기 에너지가 생산이 됩니다.
화력발전소의 에너지 전환은 다음과 같아요. (연료를 태운다. (화학에너지), 물을 끓이고 수증기가 터빈을 돌린다.(역학적 에너지), 전기 생산(전기 에너지)) 연료의 화학에너지) -> 수증기의 역학적 에너지 -> 전기 에너지
풍력 발전소
풍력 발전소는 바람이 바람개비를 돌리고 터빈을 돌리면서 전기를 생산합니다.
풍력발전소에서 에너지 전환은 다음과 같아요.
바람의 운동 에너지가 터빈을 돌리는 에너지(발전기의 역학적 에너지)로, 그리고 전기 생산(전기 에너지)이 됩니다.
바람의 운동에너지 -> 발전기의 역학적 에너지 -> 전기 에너지
<전동기의 원리는 발전기의 반대로 생각하시면 됩니다.>
유도 전류의 세기
유도 전류의 세기는 강한 자석일수록, 코일을 감은 수가 많을수록, 자석을 이동하는 빠르기가 빠를수록 유도전류의 세기는 강합니다.
이상 전자기 유도에 대해 알아봤습니다. 다음 시간에는 전기 에너지 전환과 보존, 소비전력에 대해서 알아보겠습니다.
많은 도움이 되었으면 합니다.^^