1. 서론
-연구 동기
어느 날 평소처럼 등하교 버스를 탈 때, 아무런 코드나 전원이 연결된 것도 아닌 것 같은데 가져다 대는 것만으로 교통카드 속 요금이 빠져나가는 것이 신기하게 느껴졌던 적 이 있었다. 일상 속에서 당연하게만 생각했던 것이 문득 대체 어떠한 과학적 원리로 작용할 수 있는 것인지 궁금증이 생겼는데, 때마침 학교 물리 시간에 ‘전자기 유도’에 관해 배우게 되었다.
‘전자기 유도’현상은 내가 궁금했었던 교통카드의 작동원리일 뿐만 아니라 굉장히 다양한 분야에서 쓰이고 있었다. 이에 나는 교과 내용보다 더 깊이 ‘전자기 유도’에 대해 탐구해보고, 이미 응용된 사례뿐만 아니라 앞으로 나아갈 미래에서의 쓰임새를 연구하고 싶어 이 주제를 선정했다.
-전자기 유도
고리 모양의 도선으로 만들어진 코일을 통과하는 자기장이 시간에 따라 변하면 코일에 전류가 유도되는 현상을 ‘전자기 유도’라고 한다. 1831년에 영국의 물리학자 패러데이(M. Faraday, 1791~1867)는 실험을 통하여 이러한 현상을 발견하고, 이것은 코일을 통과하는 자기 선속의 시간에 따른 변화가 코일에 유도 기전력을 발생시키기 때문이라고 설명하였다.
이 법칙을 패러데이의 이름을 따서 ‘패러데이의 전자기유도 법칙’이라고 한다. 이때, 전자기 유도에 의해 코일에 흐르는 전류를 ‘유도 전류’라 하고, 자석이 빠르게 움직일수록, 자석의 세기가 셀수록, 코일을 많이 감을수록 유도 전류가 세 진다. 또한 유도 전류는 코일 속 자기장의 변화를 방해하는 자기장을 만드는 방향, 즉 자석의 운동을 방해하는 방향으로 흐르게 되는데, 이를 ‘렌츠의 법칙’ 또는 ‘청개구리 법칙’이라고 부른다.
만일 도선이 움직이지만 이 때 발생한 유도전류에 의해 도선의 움직임이 방해받지 않는다면, 운동 에너지가 줄어드는 일 없이 전기에너지가 발생할 것이다. 이는 에너지 보존법칙에 어긋나게 된다. 따라서 유도 전류는 오히려 도선의 움직임을 방해하는 방향으로 전자기력을 발생시키게 되고, 이는 에너지 보존 법칙의 한 예라고 할 수 있다.
2. 본론
‘전자기 유도’는 현대 문명에 아주 큰 기여를 하였다. 전자기 유도 현상이 발견되기 이전에는 전기를 만들어 내는 방법이 두 가지밖에 없었다. 하나는 물체를 마찰시켜 전기를 만들어 내는 방법이었고, 또 하나의 방법은 전지를 이용하여 전기를 발생시키는 것이었다. 그러나 이런 방법으로는 소량의 전류만 만들어낼 수 있었을 뿐이었다. 따라서 패러데이의 전자기 유도 법칙이 발견되기 전에는 전기가 실생활에 이용되지 못하고 실험을 하거나 호기심 많은 사람들의 놀이거리로만 사용되고 있었다. 그러나 전자기 유도 법칙의 발견으로 쉽게 전기를 발전시킬 수 있게 되었다.
간단히 말하자면, 전자기 유도를 이용해 전류를 만들어 내기 위해서는 도선 주위에서 자석(또는 전자석)을 움직이거나 자석을 그냥 두고 도선을 움직이기만 하면 된다. 실제로 사용되는 발전기에서는 커다란 코일 뭉치(도선)을 만들어 놓고 그 가운데서 강한 자석을 빠른 속도로 회전시키거나 반대로 강한 전자석을 만들어 놓고 그 가운데서 코일을 돌린다.
발전기뿐만 아니라 변압기, 전동모터의 작동원리가 되는 전자기 유도법칙은 전자기 시대를 여는 데 결정적인 역할을 하였다고 할 수 있다. 현재 우리 일상 속에서도 이를 응용한 다양한 상품이 알게 모르게 흔히 쓰이고 있으며, 앞으로 나아갈 4차 산업혁명 시대에도 주요한 영역을 차지하고 있다.
-활용 사례
1) 교통카드
전자기유도를 이용한 가장 대표적인 물체라고 할 수 있는 것은 바로 교통카드이다. 교통카드의 원리를 확인하기 위해서는 우선 교통카드의 구조를 살펴봐야 한다. 교통카드는 신용카드와 달리 마그네틱이 없고, 대신 코일 칩과 축전기, IC칩으로 구성되어 있다. 교통카드 단말기 안에는 일정한 주기를 가지고 크기와 방향을 바꾸는 교류가 흐르며 강한 자기장을 띄고 있어, 교통카드를 접촉시키면 교통카드 안에 들어있는 코일에 전기가 흐르게 된다. 바로 이 전기가 교통카드 안의 축전기에 저장이 되고, 이 전기로 인해 IC칩에 정보(사용액, 사용시간 등)가 수정이 되는 것이다. 즉 우리가 교통카드를 쓰면 교통카드 충전기, 교통카드 단말기 사이에 전자기 유도 현상이 일어나 정보가 수집되어 충전이 되고 요금이 빠져나간다.
2) 자동차 속력계
차량 속력계는 자동차의 바퀴 회전수를 측정하여 속력을 표시하는데 이때 전자기유도의 원리로 운동에너지를 전기에너지로 전환시킨다. 자석의 회전 속도가 빨라지면 생성되는 전류의 세기가 세지기 때문에 이 회전 속도에 의해서 속력계의 눈금이 변한다. 자동차 바퀴와 연결된 부분이 자석과 금속으로 되어있는데, 자석이 바퀴와 붙은 상태에서 회전을 하게 되면 자석 앞에 가까이에 놓여 있는 금속판은 자석과 접촉하지 않고도 자석과 같은 속력으로 회전하게 된다. 바로 이때 생성된 전기가 계기판의 바늘을 회전시키며 속력계의 눈금이 움직여 속력을 표시할 수 있게 된다.
3) 스마트 폰 무선충전
최근, 삼성, LG, 구글 등의 스마트 폰에 무선 충전이 도입되어 전원 케이블을 연결하지 않고 간편하게 충전을 할 수 있는 기능이 개발되었다. 무선 충전에는 크게 세 가지 방식이 있다. 자기유도 방식, 자기 공진 방식, 전자기파 방식이다. 하지만 현재 스마트 폰에 흔히 쓰이고 있는 것은 자기 유도 방식으로, 그 원리는 먼저, 전선에 전류가 흐르면 주변에 자기장이 생기고 이 자기장의 에너지가 가까운 곳에 있는 다른 전선에 전류를 발생시키고, 그다음 코일이 감겨있는 충전 패드에 전원을 연결하면 코일이 자석이 되면서 자기장이 뻗어나가게 된다. 패드에서 뻗어 나온 자기장이 그 위에 얹혀 있는 스마트 폰의 코일을 통과하면서 전류가 발생하는데, 이 전류가 스마트 폰 배터리를 충전하는 것이다.
현재 자기유도 방식은 현재 최대 4cm로 전송 거리가 짧다. 그리고 송신부와 수신부의 코일을 정확히 맞추지 않으면 충전이 잘되지 않는다는 단점이 있다. 하지만 자기 유도 방식은 대 전력 전송에 유리하고, 충전 효율이 뛰어나며, 전자파가 거의 발생하지 않아 인체에 무해하다. 또한 코일의 공진 주파수와 전송 주파수가 달라 소형화가 가능하다. 따라서 대부분의 스마트 폰이 자기 유도방식의 무선충전을 고수하고 있다.
4) 전기자동차 도로
지금껏 전기자동차의 실용화를 방해했던 걸림돌 중 하나는 배터리 성능으로, 용량이 적고 충전시간이 오래 걸리는 단점이 있었다. 하지만 최근 바로 ‘전자기 유도’를 이용해 전기자동차 도로를 개설하여 주행과 동시에 충전을 할 수 있게 하는 기술이 나타났다. 지난 2013년 카이스트(KAIST)는 ‘온라인 전기버스 OLEV(Online Electric Vehicle)’를 개발하는 데 성공하였다.
온라인 전기 버스는 도로에 매설한 충전 장치와 버스에 탑재한 충전 장치를 유도하여 배터리를 충전하는 방식으로, 도로 밑에 개설된 전선에서 발생하는 자기장을 차량 하부에 장착된 집전장치를 통해 ‘전기에너지’로 변환한다. 버스가 충전 장치 위를 지나가면 자석 2개가 내는 자기가 교감하면서 전류가 흐르고 버스에 탑재한 배터리에 충전이 되는 것이다. 이 기술은 세계 경제 포럼 선정, 세계 10대 유망기술로 선정되었으며, 현재까지 보완점을 찾으며 개발 중에 있다.
3. 결론 및 느낀 점
만일 이 전자기유도 현상이 발견되지 않았거나, 물리학 세계에 아예 존재하지 않는다면 지금의 세상은 어떤 모습일까? 우선 전기를 용이하게 만들 수 없으니, 우리 주변에 있는 수많은 전기 제품은 아예 존재하지 않았을 것이고 에어컨, 선풍기 또는 냉장고에 들어가는 모터, KTX나 전철에 들어가는 모터 등 또한 상상도 못 했을 것이다.
하지만 지금 우리는 패러데이의 위대한 발견 덕에 ‘전자기유도’ 현상을 이용하여 플러그에 꽂지 않고, 그저 테이블 위에 올려놓기만 해도 충전이 되는 스마트 폰을 발명하였고, 더 나아가, 전기 자동차가 특수한 판이 심어져 있는 길 위를 지나가기만 해도 전력을 공급받을 수 있는, 그런 공상과학 영화에서 보아온 이야기들을 이미 현실로 만들었다. 이외에도 세계는 ‘전자기 유도’를 이용해 앞으로도 무궁무진한 발명을 할 것으로 예상된다.
이번 연구를 통해 내가 아무런 생각 없이 쓰고 이용하던 교통카드, 인덕션, 자동차 속도계와 같은 물건까지 모두 ‘전자기 유도’에서 비롯된 것이고, 그러한 발견과 발명이 있어 내가 편리하게 살아오고 있다는 점을 느끼게 되었다. 이와 같이 단순하게 취급되고 생각되는 각각의 자연과학 법칙이 우리의 삶, 즉 경제·문화·정치 및 사회 모든 분야에 엄청난 영향과 파장을 일으키며 우리가 누리는 모든 풍요로움이 자연과학의 발견으로부터 시작된다는 것을 보고, 과학의 연구와 발전의 중요성을 새삼 깨달을 수 있었다.
또한 어렵고 내 일상과는 먼 이야기라고 생각했던 ‘물리’라는 과목이 사실 우리의 모든 생활과 관련 있는 것을 몸소 체험하니, 조금 더 친숙하고 재밌게 느껴지는 것 같다. 더불어 앞으로 어떤 새로운 과학의 발견과 발명이 나와, 미래 사회를 바꾸어 줄지 기대가 되기도 하였고, 나 또한 미래 사회에 기여할 큰 공헌을 세우고 싶다는 생각이 들어, 미래의 나에 대한 생각을 구체화시킬 수 있는 기회를 가질 수 있었다.
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