11 자기장 속 전류가 받는 힘과 전동기

과학전기와 자기중273쪽중2 과학 · 전기와 자기

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이 자료는

중2 과학 「전기와 자기」 시리즈의 열한 번째 자료로, 자기장 속에서 전류가 흐르는 도선이 받는 힘과 그 힘을 이용하는 전동기·스피커를 다루는 문제 유형 학습지입니다. 문제를 다섯 가지 유형으로 나누고 유형마다 하나의 물음을 걸었습니다. 유형은 자기장 속 도선이 받는 힘의 방향 찾기, 전류·자기장의 방향과 세기를 바꿀 때 힘의 변화 알아내기, 코일 양쪽의 힘이 회전을 만드는 까닭 찾기, 전동기가 같은 방향으로 계속 회전하는 원리 알기, 전동기와 스피커의 같은 원리와 다른 움직임 비교하기입니다. 첫 쪽에는 '전류를 흘리면 왜 도선이 움직일까?'라는 물음과 다섯 유형의 질문이 정리되어 있습니다.

유형마다 '대표문제 → 질문으로 이해하기 → 꼭 기억할 지식과 주의할 점 → 대표문제 풀이 → 적용 문제' 순서로 되어 있습니다. '이 편에서 자기장 방향은 어느 자기장을 말할까?', '코일 양쪽에 반대 방향의 힘이 작용하는데 왜 돌까?', '정류자가 없으면 왜 코일이 한 방향으로 계속 돌지 못할까?'처럼 학생이 헷갈려 하는 설명 질문 20개에 한 줄 답과 설명이 붙어 있고, '틀린 생각'과 '바른 문장'을 나란히 놓아 흔한 오해를 바로잡습니다. 운동장 트랙, 두 손으로 돌리는 운전대, 투명한 벽시계, 페달을 잠깐 멈춘 자전거, 자를 움직이는 세 가지 방법 같은 비유에는 '이 비유는 여기까지만 맞다'는 한계도 함께 적었습니다. 오른손을 펴서 힘을 찾는 그림, 전기 그네, 전류와 자기장 방향을 바꾼 네 경우 비교, 입체 코일과 단면 기호, 정류자로 이어지는 전동기, 반 바퀴마다 전류가 바뀌는 세 단계, 스피커 단면 모식도가 들어 있고, 53~55쪽 '한눈에 정리'에서 오른손 세 방법과 판단 순서를 모아 봅니다.

문제는 대표문제 5개, 유형별 적용 문제 39개, 여러 유형을 섞은 통합 확인 4개로 모두 48문항입니다. 방향 고르기, 실험 자료에서 비교 쌍 찾기, 실험 고치기, 까닭 쓰기 같은 서술형 문항이 섞여 있습니다. 59쪽부터 빠른 정답과 문항별 해설, 선택지별 풀이, 서술형 인정 범위가 있고, 문항마다 '다시 볼 질문'이 적혀 있습니다.

미리보기

실제 학습지의 일부입니다. 누르면 크게 볼 수 있습니다.

전류와 자기장 방향을 바꾼 네 경우 — 처음·전류만 반대·자기장만 반대·둘 다 반대일 때 자석 사이 도선(⊙·⊗)과 자기력 방향을 네 칸으로 비교한 그림과 방향 비교 표 · 15쪽

정류자로 이어지는 전동기 — 자석 사이 직사각형 코일 ABCD와 각 변의 자기력, 회전축 끝의 정류자·브러시, 전지와 눈의 위치를 그린 입체 그림과 전동기 각 부분의 역할 표 · 35쪽

스피커의 구조 — 진동판·코일·고정 자석을 축을 따라 자른 단면 모식도와 '전류 변화 → 힘 변화 → 진동판과 공기의 진동' 흐름, 자를 움직이는 세 가지 방법 비유 · 48쪽

핵심 정리 · 자기장 속 전류가 받는 힘과 전동기

학습지의 설명 질문 20개 가운데 핵심을 짧게 정리했습니다. 그림·표와 48문항은 PDF에 있습니다.

자석 가까이에 놓인 도선은 왜 전류를 흘리면 움직이나요?

도선에 흐르는 전류에 의한 자기장과 자석이 만드는 자기장이 상호작용하여 도선에 힘이 작용하기 때문이며, 이 힘도 자기력입니다. 도선이 움직일 수 있게 놓여 있으면 움직이고, 단단히 고정하면 힘을 받아도 움직이지 않을 수 있습니다. 전류를 끊으면 자기력은 없어지지만 움직이던 도선은 잠시 더 움직일 수 있습니다.

이 단원에서 말하는 '자기장 방향'은 어느 자기장인가요?

도선에 힘을 작용시키는 자석의 자기장 방향이며, 자석 사이에서는 N극에서 S극으로 향합니다. 도선 주위에 생기는 둥근 자기장 방향을 대신 쓰지 않습니다. 학습지에서는 따로 조건이 없으면 전류와 자기장이 서로 수직이고, 자석 사이 자기장은 한 방향으로 고르며, 지구 자기장은 생각하지 않는다고 약속합니다.

도선이 받는 자기력은 전류나 자기장과 같은 방향인가요?

아닙니다. 전류와 자기장이 서로 수직일 때 자기력은 그 두 방향에 모두 수직입니다. 자기장이 오른쪽이라고 도선도 오른쪽 힘을 받는 것이 아니며, 같은 자기장 속에서도 전류 방향을 바꾸면 힘 방향이 달라집니다.

오른손으로 자기력의 방향을 어떻게 찾나요?

오른손을 펴고 엄지를 네 손가락과 직각이 되게 벌린 뒤, 엄지는 전류 방향, 곧게 모은 네 손가락은 자석이 만드는 자기장 방향에 맞춥니다. 손바닥이 향하는 쪽이 도선이 받는 자기력 방향입니다. 코일의 N극을 찾을 때 감아쥐던 방법과 다르며, 전자의 이동 방향은 전류와 반대이므로 손을 전자 방향에 맞추면 안 됩니다.

⊙와 ⊗는 무엇을 뜻하나요?

⊙는 종이 밖으로 나오는 방향, ⊗는 종이 안으로 들어가는 방향을 나타냅니다. 화살의 앞끝이 나를 향하면 점처럼, 멀어지면 뒤쪽 깃이 보인다고 생각하면 구별할 수 있습니다. 이 기호는 방향만 나타내므로 전류·자기장·힘 가운데 무엇의 방향인지는 옆에 쓴 글자로 확인합니다.

전류나 자석의 극을 바꾸면 자기력은 어떻게 달라지나요?

전류 방향만 반대로 하거나 자석의 극만 바꾸어 자기장 방향만 반대로 하면 자기력 방향도 반대가 됩니다. 전류와 자기장을 둘 다 반대로 하면 자기력 방향은 처음과 같습니다. 전류를 끊는 것은 방향을 바꾸는 것과 달리 자기력을 없애는 변화입니다.

도선이 받는 자기력을 크게 하려면 어떻게 하나요?

전류가 셀수록, 자석의 자기장이 셀수록 자기력이 커집니다. 같은 도선과 같은 세기의 전류·자기장에서는 전류와 자기장이 수직일 때 자기력이 가장 크고, 나란할 때는 자기력을 받지 않습니다. 방향을 바꾸면 자기력의 방향이, 세기를 바꾸면 자기력의 크기가 달라집니다.

자기력 비교 실험에서 왜 전류를 직접 측정해야 하나요?

같은 전지를 써도 도선의 길이·굵기·연결이 달라지면 저항이 달라져 전류가 달라질 수 있기 때문입니다. 비교하려는 조건 하나만 다르게 하고 나머지는 실제로 같게 맞추어야 그 조건의 효과를 알 수 있으므로, 전류계를 도선에 직렬로 연결해 실제 전류를 잽니다. 전류와 자석을 함께 바꾸면 힘이 커진 결과를 전류만의 효과로 설명할 수 없습니다.

코일 양쪽에 반대 방향의 힘이 작용하는데 왜 회전하나요?

하나로 이어진 코일을 따라 전류가 흐르므로 마주 보는 두 부분에서는 전류 방향이 반대이고, 같은 자기장 속에서 받는 자기력도 반대입니다. 두 힘은 회전축 양쪽의 서로 다른 위치에 작용하므로, 두 손으로 운전대의 한쪽은 올리고 다른 쪽은 내리듯이 같은 회전 방향으로 코일을 돌립니다. 자기장과 나란한 변은 자기력을 받지 않습니다.

'시계 방향'이라고 말할 때 왜 보는 쪽을 정해야 하나요?

같은 회전도 반대쪽에서 보면 시계 방향과 시계 반대 방향이 뒤바뀌기 때문입니다. 관찰자가 축의 반대편으로 옮겨 가도 전류나 실제 회전이 바뀐 것은 아닙니다. 회전 방향을 고를 때는 보는 쪽을 먼저 확인한 다음 두 도선의 위치와 자기력을 연결합니다.

전동기는 어떤 장치이고 각 부분은 무슨 일을 하나요?

전동기는 자기장 속에서 전류가 흐르는 코일이 받는 힘으로 회전하며 전기 에너지를 운동 에너지로 전환하는 장치입니다. 고정 자석은 자기장을 만들고, 코일은 자기력을 받아 회전하며, 회전축은 회전을 다른 부분에 전달합니다. 정류자는 반 바퀴마다 코일 전류 방향을 바꾸고, 브러시는 고정된 회로와 회전하는 정류자의 접촉을 유지합니다. 에너지는 자석이 아니라 전지나 전원 장치가 공급합니다.

정류자가 없으면 왜 코일이 한 방향으로 계속 돌지 못하나요?

반 바퀴 돌면 두 도선의 위치가 바뀌는데, 전류 방향이 그대로면 같은 방향의 자기력을 받아 처음과 반대로 돌리려 하기 때문입니다. 정류자는 코일과 함께 돌며 브러시와 접촉하는 쪽이 바뀌어 반 바퀴마다 코일 양 끝의 연결을 바꾸고, 코일 전류 방향을 반대로 만듭니다. 전지의 극이나 고정 자석의 극을 바꾸는 것은 아닙니다.

전류가 잠시 끊기는 전환 순간에도 전동기는 왜 계속 도나요?

정류자 틈이 브러시를 지나는 순간에는 전류가 흐르지 않아 코일이 자기력을 받지 않지만, 이미 돌고 있던 코일은 바로 멈추지 않고 전환 위치를 지나갑니다. 다음 접촉이 이루어지면 전류 방향이 반대가 되어 다시 같은 방향으로 돌리는 자기력을 받습니다. 이 설명은 이미 돌고 있는 코일에만 해당합니다.

전동기를 더 빠르게 돌리려면 어떻게 하나요?

다른 조건이 같으면 전류가 셀수록, 자석이 셀수록, 코일을 많이 감을수록 코일이 받는 자기력이 커져 더 빠르게 회전합니다. 다만 전류가 두 배라고 실제 회전 속력이 반드시 두 배인 것은 아닙니다. 감은 수를 늘리면 도선 길이와 저항도 달라질 수 있으므로, 감은 수만의 효과는 실제 전류를 측정해 같게 맞춘 뒤 비교합니다.

스피커는 어떻게 소리를 내나요? 일정한 전류를 흘려도 소리가 계속 나나요?

스피커는 고정된 자석의 자기장 속에서 진동판에 연결된 코일에 전류가 흐르면 코일이 힘을 받아 진동판이 앞뒤로 움직이는 원리입니다. 소리에 따라 코일 전류의 세기와 방향이 바뀌면 자기력도 바뀌어 진동판이 진동하고, 주변 공기를 진동시켜 소리를 전달합니다. 세기와 방향이 일정한 전류를 계속 흘리면 진동판은 한쪽으로 치우친 채 머물 뿐 계속 진동하지 않고, 연결하거나 끊는 순간에만 짧은 소리가 날 수 있습니다.

전자석 기중기·전동기·스피커는 무엇이 같고 무엇이 다른가요?

모두 전류의 자기 작용을 이용합니다. 전자석 기중기는 코일의 자기장과 철심으로 쇠붙이를 끌어당기고, 전동기와 스피커는 자기장 속 코일의 전류가 받는 힘을 이용하되 전동기는 회전, 스피커는 진동판의 앞뒤 진동을 만듭니다. 선풍기·세탁기처럼 회전이 필요한 부분에 전동기를 쓰며, 전기 다리미처럼 전기 에너지가 열에너지로 전환되는 기구는 전동기를 쓰지 않습니다.

핵심 용어

자기력: 자석과 자석, 또는 자기장 속 전류가 흐르는 도선 사이에 작용하는 힘
자기장 방향: 이 편에서는 도선에 힘을 작용시키는 자석의 자기장 방향. 자석 사이에서 N극 → S극
오른손 펴기: 엄지=전류, 곧게 모은 네 손가락=자기장일 때 손바닥이 향하는 쪽이 자기력
⊙ / ⊗: ⊙는 종이 밖(관찰자 쪽), ⊗는 종이 안(관찰자 반대쪽)으로 향하는 방향을 나타내는 기호
수직 / 나란함: 전류와 자기장이 수직일 때 자기력이 가장 크고, 나란할 때는 자기력이 없음
전기 그네: 말굽자석 사이에 움직일 수 있게 매단 도선
회전축: 코일의 회전을 다른 부분의 움직임으로 전달하는 축
전동기: 자기장 속에서 전류가 흐르는 코일이 받는 힘으로 회전하며, 전기 에너지를 운동 에너지로 전환하는 장치
정류자: 코일과 함께 회전하며 반 바퀴마다 코일에 흐르는 전류의 방향을 바꾸어 한 방향으로 계속 회전하게 하는 부분
브러시: 고정된 채 회전하는 정류자와 접촉하여 전원과 코일을 연결하는 부분
전환 순간: 정류자 틈이 브러시를 지나 전류가 잠시 끊기는 순간
진동판: 스피커에서 코일과 연결되어 앞뒤로 진동하며 주변 공기를 진동시키는 판
조작 변인 / 통제 변인: 실험에서 알아보려고 바꾸는 조건 / 같게 두는 조건

다 풀고 나면

도선이 자석의 자기장 속에서 힘을 받는 까닭을 설명하고, 이 편에서 말하는 자기장이 자석의 자기장임을 구별할 수 있다.
오른손을 펴서 엄지·네 손가락·손바닥으로 전류·자기장·자기력의 방향을 연결하고, ⊙·⊗ 기호를 읽을 수 있다.
전류와 자기장의 방향을 하나 또는 둘 다 바꿀 때 자기력 방향의 변화를 판단하고, 변인을 통제하여 자기력의 크기를 비교할 수 있다.
코일의 마주 보는 두 부분이 받는 반대 방향의 힘이 회전을 만드는 까닭을 설명하고, 보는 쪽을 정해 회전 방향을 말할 수 있다.
전동기 각 부분의 역할을 말하고, 정류자가 반 바퀴마다 코일 전류 방향을 바꾸어 같은 방향으로 계속 회전하게 함을 설명할 수 있다.
전동기를 빠르게 돌리는 조건을 비교하고, 전동기와 스피커가 같은 원리로 회전과 진동이라는 다른 움직임을 만드는 과정을 설명할 수 있다.

이렇게 풀면 됩니다

1쪽 '이 편에서 답할 질문'에서 다섯 유형을 확인합니다. 유형 1(2~13쪽), 유형 2(14~22쪽), 유형 3(23~33쪽), 유형 4(34~45쪽), 유형 5(46~52쪽) 순서로, 유형마다 맨 앞의 대표문제를 먼저 풀어 봅니다.
'질문으로 이해하기'의 질문을 읽고 내 답을 말해 본 뒤 한 줄 답과 설명, 그림·표를 읽습니다. '비유로 이해하기'는 '이 비유는 여기까지만 맞다'까지 함께 읽고, '틀린 생각'과 '바른 문장'을 견주어 본 뒤 '꼭 기억할 지식과 주의할 점'과 대표문제 풀이로 내 풀이를 점검합니다.
유형별 '적용 문제'를 같은 방법으로 풉니다. 53~55쪽 '한눈에 정리'로 오른손 세 방법과 직선 도선·코일·전동기·스피커의 판단 순서를 다시 본 뒤, 56~58쪽 '통합 확인' 4문항(문항 45~48)을 어떤 유형의 풀이를 쓸지 스스로 골라 풉니다.
59~61쪽 빠른 정답과 61~73쪽 문항별 해설로 맞춰 봅니다. 틀린 문항은 해설에 적힌 '다시 볼 질문'으로 돌아가 질문과 설명을 다시 읽습니다.

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