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1. 학습목표
우리는 주변에서 조그만 완구용 전동기에서부터 전동차의 전동기까지 무수히 많은 전동기의 도움을 받으며 살아가고 있다. 이처럼 우리 생활에 많은 영향을 끼치는 전동기는 어떤 원리에 의해 작동이 되는지 간단한 전동기를 어떤 원리에 의해 작동이 되는지 간단한 전동기를 직접 만들어 그 원리를 알아보자.
2. 준비물
건전지 大(1.5V), 자석, 종이클립 2개, 에나멜선 1ｍ, 건전지 中(에나멜선 감는데 사용), 칼, 셀로판테이프
3. 어떻게 할까요?
① 에나멜선을 중형건전지에 같은 방향으로 7∼8회정도 감아 그림과 같은 모양의 전기자를 만든다.
② 전기자의 두 가닥으로 나온 에나멜선 중 한쪽은 칼을 이용하여 에나멜코팅을 완전히 벗겨주고 나머지 한쪽은 3/4만 벗겨준다.
③ 종이클립을 다음과 같은 모양으로 만든다
④ 클립2개를 건전지의 양극에 대고 셀로판테이프를 이용하여 고정시킨다.
⑤ 다음 그림과 같이 자석을 건전지에 붙인다.
⑥ 에나멜선을 클립 위에 놓고 에나멜선이 잘 돌아가는지 보자.
4. 왜 그럴까요?
전동기는 전자석의 성질을 이용한 것으로 이를 설명하기 위해서 잠시 플레밍의 왼손법칙을 살펴보기로 하자.
왼손의 엄지손가락, 집게손가락, 가운데 손가락을 서로 직각이 되도록 하였을 때 엄지손가락은 힘(F)의 방향, 집게손가락은 자기장(B)의 방향, 가운데 손가락은 전류(i)의 방향이 된다.
결국 에나멜선에 전류가 흐르게 되면서 에나멜선 주위에는 자기장이 생기고 자석에서 생긴 자기장과 만나게 되는데 이 때 자기장의 방향이 같은 방향으로 되어 있는 곳과 반대 방향으로 되어 있는 곳이 있다. 전류가 흐르고 있을 때의 자기장은 이들 두 자기장을 합친 것이므로, 두 자기장이 같은 방향으로 되어 있는 곳에서는 자기장이 강해지고, 반대 방향으로 되어 있는 곳에서는 자기장이 약해진다.
결국 자기장이 강한 곳에서는 자기력선끼리 밀어내는 힘이 강하고, 자기장이 약한 곳에서는 자기력선끼리 밀어내는 힘이 약해진다. 따라서, 자기장이 강한 곳에서 약한 곳으로 힘이 작용하므로 에나멜선이 힘을 받아 움직이게 된다.
그러면 전기자의 양쪽 끝은 왜 서로 다르게 코팅을 벗겨낼까요?
전기자는 동그랗게 감아져 있기 때문에 전류가 흐르게 되면 같은 코일이지만 전류의 방향이 서로 반대가 된다. 따라서 전류를 계속해서 공급해 주면 코일을 감은 전기자는 180도 회전할 때 마다 힘의 방향이 바뀌어 일정한 방향으로 회전하지 못하게 된다. 따라서 전기자의 한 쪽 끝을 3/4만 코팅을 벗겨 낸 것은 벗겨내지 않은 코팅부분에서는 전류가 흐르지 않기 때문에 순간적으로 전류가 차단되고 또한 힘이 작용하지 않는다.
이 위치를 사점이라고 하는데 회전하는 코일에는 관성이 있으므로 이 코일은 사점을 통과하여 다시 처음과 같은 힘을 받게 되어 일정한 방향으로 회전하게 되며, 실제 전동기에서는 이와 같은 역할을 정류자와 브러시가 하고 있다.
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