전자석의 마술

전자석의 마술

 

 

과학자들은 날지 못하는 생물을 공중에 띄우려고 수많은 시도를 해왔습니다. 그 중 대표적인 실험은 지난 1997년 네덜란드 네이메겐 대학 교수팀이 시행한 개구리 공중 부양 실험입니다. 강력한 전자석으로 지구 자기장의 32만 배, 보통 막대자석의 100~1000배의 힘인 16테슬라 정도의 자기장을 걸어 주니 개구리가 공중에 떠올랐다고 하는데, 어떻게 이런 일이 가능했던 것일까요?

▲ 개구리 공중 부양 실험(출처: 에듀넷)

 

우리가 평소 자기력과는 아무 관련이 없다고 생각하던 물질도 사실 자기력에 반응하는 경우가 많습니다. 생물의 몸속에 들어 있는 물 분자나 유기 물질들도 사실은 미세한 자성을 가지고 있어서 이런 성질을 이용하면 자기장 속에서 부양시킬 수 있습니다. 즉, 고자기장의 힘이 지구 중력과 상쇄되어 공중 부양을 가능하게 만들어 주는 것입니다.

이와 같은 원리는 마술에도 이용됩니다. 공중 부양 마술이 바로 그것인데, 공중 부양 마술은 자석의 서로 밀고 당기는 원리를 응용한 것입니다. 마술사의 옷 속에 자석으로 만든 벨트를 몰래 감아 놓고 이 벨트에 전류를 흘려 주면 자기력이 발생하게 되며 이 힘이 무대 위쪽 천장에 매달아 놓은 큰 자석과 반응해 몸을 통째로 띄우게 되는 것입니다. 알고 보니 과학이었네요.

 

▲ 공중 부양 마술(출처: 에듀넷)

 

자석의 힘으로 열차를 공중에 띄우는 자기부상열차도 이와 비슷한 원리를 이용한 것이랍니다. 자기부상열차는 바퀴 대신 전자석의 힘으로 공중에 떠서 달리는 차세대 첨단 교통 수단입니다. 일반 철도 차량에 비해 진동과 소음이 적어 승차감이 좋고 철가루 등의 분진 발생이 없는데다 마모되는 부품이 없어 운영비가 다른 열차에 비해 저렴합니다. 이러한 자기부상열차는 어떠한 원리로 움직이는 것일까요?

 

▲ 자기부상열차(출처: 에듀넷)

 

자기부상열차를 만드는 핵심원리는 '렌츠의 법칙'입니다. 자석이 도체 주변을 움직일 때 이 주변에는 변화에 반발하는 방향으로 자기장이 발생해 밀어 내거나 당기는 힘이 발생한다는 전자기 법칙을 말하는 것이죠.

자기부상열차는 열차 바닥에는 자석을 놓고 레일 위치에는 전자석을 놓아 만듭니다. 자기부상열차에 설치된 자석은 레일 밑에 설치된 전자석과 같은 극을 가지고 있어 서로 밀어 내는 힘에 의해 공중에 뜨게 됩니다. 이후 레일에 설치된 모터에 흐르는 전류의 방향을 지속적으로 바꿔 주게 되면 레일에서 약 40cm 간격으로 설치된 전자석의 N극과 S극 또한 주기적으로 바뀌게 되고. 결국 렌츠의 법칙에 의해 열차와 레일 사이에는 당기는 힘과 밀어 내는 힘이 빠르게 번갈아 작용하게 됩니다. 따라서 앞쪽 레일의 당기는 힘, 뒤쪽의 레일의 밀어 내는 힘에 의해 열차는 뜬 상태로 앞으로 이동할 수 있게 됩니다. 자기부상열차는 이처럼 뜬 상태로 이동하기에 마찰력이 거의 발생하지 않아 적은 동력으로도 먼 거리를 갈 수 있다는 장점을 가지고 있습니다. 이렇듯 전자석은 우리 일상생활에서 다양하게 쓰이고 있답니다.

 

 

[자료출처: 에듀넷]