전자석이란?

전자석이란?

전자들의 흐름을 '전류'라고 하는데 전류 주변에는 자동적으로 자기장이 형성됩니다. 우리가 흔히 사용하는 전자 제품들은 이러한 전자들의 흐름인 전류와 자기장을 이용한 것들입니다.

전류가 흐를 때 자기장이 생긴다는 것을 알게 된 것은 과학의 역사에서도 비교적 최근의 일입니다. 1819년에 덴마크의 물리학자이며 코펜하겐 대학의 교수였던 외르스테드라는 과학자가 전선에 전류가 흐르면 따뜻해진다는 실험 강의를 하다가 자기장을 발견하였는데, 전기 회로에 전류를 흘려보내자 전기 회로 옆에 나란히 놓여 있던 나침반 바늘이 90° 가까이 회전하는 것을 보고 알아 냈다고 합니다. 신기하게 생각한 외르스테드가 전선에 흘려보내던 전류의 방향을 바꾸자 나침반의 바늘은 다시 180° 회전하여 반대 방향을 가리켰습니다. 바늘이 회전하였다는 사실은 전류에서 발생한 회전력의 영향을 받았다는 것을 알려 주는 것으로, 이를 통해 외르스테드는 전류가 자기장을 발생시킨다는 결론을 내리게 된 것입니다.

▲ 실험 도중 자기장을 발견한 외르스테드(출처: 에듀넷)

전류가 흐를 때 자기장이 생기는 성질을 이용하면, 자석을 만들 수 있습니다. 쇠로 된 막대에 에나멜선을 감은 다음 스위치를 닫아 전류를 흐르게 한 후, 쇠막대에 클립을 붙여 보면 클립이 붙게 됩니다. 쇠막대가 자석이 된 것이지요. 쇠막대 주위에 놓아 둔 나침반 바늘이 움직이는 것으로도 자석이 된 것을 한 번 더 확인할 수 있습니다. 반대로 스위치를 열어 전류를 흐르지 않게 하면, 클립이 떨어지고 나침반 바늘도 처음 상태로 되돌아갑니다. 전류가 흐르지 않아 쇠막대가 자석의 성질을 잃어버렸기 때문입니다. 이처럼 전류가 흐를 때만 자석이 되고, 전류를 끊으면 자석의 성질을 잃고 원래의 상태로 되돌아가는 자석을 ‘전자석’이라고 합니다.

직선으로 펼쳐져 있는 전선이 만드는 자기장은 자석으로서의 힘이 매우 약하기 때문에 전자석을 만들 때는 전선을 코일처럼 감아서 만들어 줍니다. 하지만 이 역시 큰 자기장을 가지기는 힘들기 때문에 코일처럼 감긴 전선 속에 전류를 흘렸을 때 자기장을 가질 수 있는 물건을 넣어 주는 것이 좋습니다. 쇠막대에 코일을 감아 만든 전자석에서는 쇠막대가 자기장의 세기를 크게 해 주는 역할을 하는데, 쇠막대를 넣어 주었을 때 자기장의 세기가 세지는 이유는 쇠막대 안의 작은 자석이 같은 방향으로 정렬되면서 자기장을 만들어, 코일에 의해 생기는 자기장과 겹쳐지기 때문이랍니다. 

전자석은 막대 자석과 마찬가지로, 철로 된 물체를 끌어당기는 것은 물론 N극과 S극의 양 극을 가지고 있습니다. 게다가 막대 자석과는 달리 전기의 흐름을 바꿔 양쪽 극을 바꿀 수도 있고, 자석의 세기를 마음대로 조절할 수도 있습니다. 전자석의 세기는 전기 회로에 직렬로 연결한 전지 개수가 많을수록, 즉 전류가 많이 흐를수록, 에나멜선의 굵기가 굵을수록, 에나멜선을 많이 감을수록 커집니다.

우리 생활 주변에는 이러한 전자석의 원리를 이용한 제품들이 많이 있습니다. 그 중에서도 전류가 흐를 때만 자석이 되고, 전류를 끊으면 자석의 성질을 잃고 원래의 상태로 되돌아가는 성질을 이용한 것으로는 고철을 옮기는 기중기에 사용하는 전자석을 들 수 있습니다. 사진에서처럼 옮기고자 하는 고철 더미 위에서 기중기의 전자석에 전류를 흘려 주면 전자석이 자석의 성질을 띠기 때문에 고철이 전자석에 달라붙게 됩니다. 이를 원하는 장소에 옮겨놓고 다시 전류를 끊어 주면 전자석이 자석의 성질을 잃게 되므로 고철들이 전자석에서 떨어져 쉽게 고철을 옮길 수 있습니다. 

▲ 전자석 기중기(출처: 에듀넷)

화재가 확대되는 것을 방지하기 위해 설치하는 방화문도 같은 원리를 이용한 것입니다. 평상시에는 방화문을 도어릴리즈의 전자석이 열린 상태로 잡고 있다가 어떤 구역에서 화재가 발생하면 전자석에 흘려보내던 전류를 끊어 문을 닫히게 함으로써 한 구역에서 발생한 화재가 다른 구역으로 옮겨가는 것을 방지하는 것입니다. 

[자료출처: 에듀넷]