03 자석과 코일로 어떻게 전기를 만들까? · 전자기 유도와 발전기

과학에너지 전환과 보존중351쪽중3 과학 · 에너지 전환과 보존

PDF 열기 새 창에서 열립니다. 인쇄하거나 저장해서 쓰세요. 정답·해설이 뒤쪽에 함께 있습니다.

이 자료는

중3 과학 「에너지 전환과 보존」 단원의 세 번째 편으로, 전자기 유도에서 발전기의 원리와 전기 에너지의 출처까지 이어 다루는 학습지입니다. 표지의 물음 '손잡이를 돌리자 꼬마전구에 불이 들어왔는데, 그 에너지는 어디에서 왔을까?'와 '자석을 코일 깊숙이 넣고 그대로 멈추면 전류가 계속 흐를까?'라는 예측에서 출발해, '전지가 없는데도 전류가 흐를 수 있을까?', '자석을 고정하고 코일을 움직여도 될까?', '자석을 더 빠르게 움직이면 방향도 바뀔까?', '전기 에너지는 자석에서 나오는 걸까, 손에서 나오는 걸까?'처럼 읽다가 생기는 질문 7개를 세 묶음(전류가 생기는 조건, 전류의 방향과 세기, 발전기의 원리와 에너지)으로 나누어 하나씩 답합니다. 회로 확인 → 자기력선 수의 변화 → 방향 → 세기 → 발전기 → 에너지의 출처로 이어지는 '판단 지도'를 처음에 보이고, 질문마다 지금 판단 지도의 어느 단계인지 표시해 둡니다.

질문마다 '한줄답'을 먼저 보이고 그림, 비교 표, 비유와 '이 비유는 여기까지만 맞다', ×·✓로 잘못된 생각을 바로잡는 상자로 풀어 줍니다. 움직임에 반응하는 센서등, 버스 안과 정류장의 두 친구, 빗속에서 돌리는 훌라후프, 손잡이를 돌리는 물 펌프 같은 비유가 실려 있습니다. 자석을 멀리·가까이·다시 멀리 옮길 때 코일을 통과하는 자기력선 수를 비교한 그림, 극과 가까이하기·멀리하기에 따른 검류계 바늘 방향의 2×2 표, 자석 사이에서 코일을 4분의 1바퀴씩 돌리는 발전기 모형과 위에서 본 네 장면, 손이 한 일이 빛과 열까지 이어지는 에너지 흐름 그림, 발전기와 전동기의 비교 표가 있습니다. 가상 관찰 자료로 이동 방향·극·빠르기를 바꾸어 비교하는 탐구와 '실전 연결' 3개도 들어 있고, 끝에는 '한눈에 정리' 판단 지도 완성판과 '자주 하는 실수' 표가 있습니다.

묶음마다 확인 문제가 있어 모두 40문항이며(1~14번, 15~28번, 29~40번), 렌츠 법칙, 같은 자기장 속에서의 이동, 한 방향 회전과 전류 방향(교류)을 다루는 선택 확장 3문항이 더 있습니다. 선택형·문장 고치기·실험 설계·계산·까닭 서술 등 여러 유형으로 되어 있고, 뒤쪽 43~44쪽에 빠른 정답 표, 45~51쪽에 풀이와 오답 점검이 있습니다. 선택형 문항에는 틀린 선택지가 왜 틀렸는지, 서술형에는 채점 기준도 함께 적혀 있습니다.

미리보기

실제 학습지의 일부입니다. 누르면 크게 볼 수 있습니다.

코일을 통과하는 자기력선 수 — 같은 자석을 멀리·가까이·다시 멀리 옮길 때 코일 면을 통과하는 자기력선이 2개·6개·2개로 바뀌는 세 단계 그림 · 5쪽

누가 움직였는지보다, 사이가 달라졌는지 — 버스 안에 나란히 앉은 두 친구와 정류장에서 다가가는 친구 삽화, 그 아래 함께 이동·자석이 가까이·코일이 가까이 세 경우의 자석·코일·검류계 그림 · 11쪽

돌리면 자기장의 변화가 반복된다 — N극과 S극 사이에서 손잡이로 돌리는 코일과 꼬마전구를 연결한 발전기 모형, 위에서 본 ㄱ~ㄹ 네 장면의 코일 면과 자기력선 · 29쪽

핵심 정리 · 전자기 유도와 발전기

학습지의 질문 7개 가운데 핵심을 짧게 정리했습니다. 그림·표와 확인 문제는 PDF에 있습니다.

전자기 유도란 무엇인가요?

코일을 통과하는 자기장이 변할 때 코일에 전류가 흐르는 현상을 전자기 유도라고 하고, 이때 흐르는 전류를 유도 전류라고 합니다. 코일의 두 끝을 검류계에 연결하고 자석의 N극을 코일 입구에 가까이하면 바늘이 한쪽으로 움직이고, 멈추면 0으로 돌아오며, 멀리하면 반대쪽으로 움직입니다.

전지가 없는데도 전류가 흐를 수 있나요?

흐를 수 있습니다. 코일을 통과하는 자기장이 변하면, 닫힌 회로에 유도 전류가 흐릅니다. 반대로 자기장이 변해도 회로가 끊겨 있으면 전류가 흐르지 않으므로, 먼저 회로가 닫혀 있는지 확인하고 그다음 자기장이 변하는지 확인합니다.

자기장의 변화는 어떻게 알아보나요?

코일을 통과하는 자기력선 수를 살펴봅니다. 자석이 가까울수록 자기력선이 코일을 더 많이 통과하므로, 자석을 가까이하면 통과하는 자기력선 수가 늘고 멀리하면 줍니다. 이처럼 통과하는 자기력선 수가 늘거나 줄면 코일을 통과하는 자기장이 변한 것입니다. 자기력선은 자기장을 나타내려고 그린 선이고, 자석에서 실제 실이 뻗어 나오는 것은 아닙니다.

자석을 코일 안에 넣어 두면 왜 전류가 계속 흐르지 않나요?

자석과 코일이 멈춰 있으면 코일을 통과하는 자기장이 더 이상 변하지 않기 때문입니다. 자석을 넣어 두어도 자기장은 남아 있으며, 사라진 것은 자기장이 아니라 자기장의 변화입니다. 아무리 센 자석이라도 코일을 통과하는 자기장이 변하지 않으면 유도 전류가 흐르지 않습니다.

자석을 고정하고 코일을 움직여도 유도 전류가 생기나요?

생깁니다. 중요한 것은 누가 움직였는지가 아니라 자석과 코일 사이의 거리나 방향이 바뀌어 코일을 통과하는 자기력선 수가 변했는가입니다. 정류장에서 내가 친구에게 걸어가든 친구가 나에게 걸어오든 둘 사이 거리가 줄어드는 것과 같습니다.

자석과 코일이 함께 움직이면 전류가 흐르나요?

자석·코일·검류계를 한 판에 고정하고 간격과 방향을 유지하며 함께 곧게 이동하면, 코일을 통과하는 자기력선 수가 변하지 않으므로 이 이동만으로는 유도 전류가 생기지 않습니다. 같은 버스에 나란히 앉은 두 친구가 밖에서 보면 움직여도 둘 사이 거리는 그대로인 것과 같습니다.

자석을 넣을 때와 뺄 때 전류의 방향은 왜 반대인가요?

같은 극을 가까이할 때는 코일을 통과하는 자기력선 수가 늘고, 멀리할 때는 줄어 자기장의 변화가 서로 반대이기 때문입니다. N극 대신 S극을 향하게 하면 자기력선의 방향 자체가 반대이므로, 같은 쪽으로 움직여도 전류 방향이 반대가 됩니다. 극과 가까이하기·멀리하기 중 하나만 바꾸면 반대, 둘 다 바꾸면 처음 방향과 같습니다.

검류계 바늘이 왼쪽으로 가는지 오른쪽으로 가는지는 어떻게 판단하나요?

바늘이 왼쪽인지 오른쪽인지는 연결에 따라 달라지므로, 그 장치의 기준 관찰과 비교해서 판단합니다. 다른 표의 좌우를 외워 옮기지 말고, 문제에 주어진 기준에서 극과 이동 방향 중 무엇을 바꾸었는지 따집니다. 물체가 움직이는 방향, 자기력선의 방향, 전류의 방향은 서로 다른 정보이므로 자석의 이동 화살표를 전류 방향으로 읽지 않습니다.

자석을 더 빠르게 움직이면 전류의 방향도 바뀌나요?

바뀌지 않습니다. 같은 극을 같은 방향으로 움직일 때 빠르기는 세기만 바꾸고 방향은 바꾸지 않습니다. 더 빠르게 움직이면 같은 시간 동안 코일을 통과하는 자기력선 수가 더 많이 변하므로 유도 전류가 세집니다.

유도 전류의 세기는 무엇에 따라 달라지나요?

다른 조건이 같을 때, 자석을 빠르게 움직일수록, 센 자석을 쓸수록, 코일의 감은 수가 많을수록 유도 전류가 셉니다. 빠르게 움직이거나 센 자석을 쓰면 같은 시간 동안 통과하는 자기력선 수가 더 많이 변하고, 감은 수가 많아지면 그 변화를 겪는 도선 고리가 많아집니다. 세기는 같은 극·같은 이동 방향에서 다른 조건을 같게 두고 비교합니다.

자석을 움직였는데 검류계 바늘이 움직이지 않으면 무엇을 확인하나요?

도선이 끊김 없이 연결되었는지, 코일 끝의 피복을 벗겨 연결했는지, 자석을 움직이는 동안 관찰했는지, 코일을 통과하는 자기장이 변했는지, 바늘이 0에 맞춰져 있고 작은 전류에도 움직이는지를 확인합니다. 바늘이 0이라는 한 번의 관찰만으로 원인을 하나로 단정하지 않습니다. 검류계는 움직이는데 꼬마전구가 켜지지 않는 것은 전류가 아주 작아서일 수 있습니다.

발전기는 왜 코일이나 자석을 계속 돌리나요?

코일을 통과하는 자기장의 변화를 반복해서 만들어 전기 에너지를 계속 얻기 위해서입니다. 자석 사이의 코일은 코일 면이 자기장을 정면으로 마주볼 때 자기력선이 많이 통과하고, 옆으로 서면 통과하지 않습니다. 그래서 코일을 돌리면 코일 중심이 제자리에 있어도 통과하는 자기력선 수가 늘었다 줄었다를 계속 반복합니다. 코일 대신 자석을 돌리는 발전기도 있습니다.

발전기의 전기 에너지는 자석에서 나오나요?

아닙니다. 손으로 발전기를 돌릴 때는 손이 한 일이 전기 에너지로 전환되고, 자석은 그 전환에 필요한 자기장을 마련합니다. 손 발전기에 꼬마전구를 연결하면 같은 빠르기로 돌리기가 더 힘든데, 꼬마전구에 전기 에너지를 보내려면 손이 더 많은 일을 해야 하기 때문입니다. 발전기도 물 펌프가 물을 새로 만들지 않듯 전하를 새로 만드는 장치가 아닙니다.

발전기를 돌리는 일은 전부 전기 에너지가 되나요?

일부는 발전기 등의 열·소리로 바뀝니다. 꼬마전구로 전달된 전기 에너지도 빛과 열로 나뉩니다. 발전기 내부에 저장된 에너지가 변하지 않으면, 손이 한 일에서 밖으로 전달된 전기 에너지를 빼어 열과 소리로 주변에 전달된 에너지의 합을 구할 수 있습니다. 다만 그 자료만으로 열과 소리가 각각 얼마인지는 알 수 없습니다.

발전기와 전동기는 무엇이 다른가요?

발전기는 회전시키는 일을 공급받아 전기 에너지를 얻는 장치로, 역학적 에너지를 전기 에너지로 바꿉니다. 전동기는 전기 에너지를 공급받아 회전 운동을 얻는 장치로, 전기 에너지를 역학적 에너지로 바꿉니다. 두 장치는 자석과 코일을 이용한다는 공통점이 있지만, 에너지를 공급하는 쪽과 얻는 쪽이 다릅니다.

렌츠 법칙이란 무엇인가요?

유도 전류가 만드는 자기장은 원래 자기장의 변화를 방해하는 쪽으로 생긴다는 법칙입니다. 전류가 흐르는 코일도 자석처럼 작용해, N극이 가까워지면 자석을 향한 코일 입구가 N극이 되어 밀어내고, N극이 멀어지면 S극이 되어 잡아당깁니다. 원래 자기장 자체를 항상 없애려는 것이 아닙니다.

핵심 용어

전자기 유도: 코일을 통과하는 자기장이 변할 때 코일에 전류가 흐르는 현상
유도 전류: 전자기 유도로 흐르는 전류
자기장: 자석이나 전류 주위에서 자기력이 작용하는 공간
자기장의 방향: 그곳에 작은 나침반을 놓았을 때 N극이 가리키는 방향
자기력선: 자기장을 선으로 나타낸 것. 자석 바깥에서는 N극에서 나와 S극으로 들어가며, 촘촘할수록 자기장이 세다
코일을 통과하는 자기력선 수: 코일을 통과하는 자기장의 변화를 눈으로 그려 보는 기준. 늘거나 줄면 자기장이 변한 것이다
코일: 도선을 여러 번 감은 것
닫힌 회로: 전류가 한 바퀴 돌 수 있도록 끊김 없이 연결한 회로
검류계: 작은 전류의 유무·방향·세기를 바늘로 알아보는 기구
전류의 자기 작용: 전류가 흐르면 도선 주위에 자기장이 생기는 것
기준 관찰: 바늘의 좌우는 연결에 따라 달라지므로, 방향을 판단할 때 비교의 기준으로 삼는 그 장치의 관찰
발전기: 전자기 유도로 역학적 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 장치
전동기: 전기 에너지를 공급받아 회전 운동을 얻는 장치. 전기 에너지 → 역학적 에너지
에너지 전환: 에너지의 형태가 바뀌는 것
렌츠 법칙: 유도 전류가 만드는 자기장은 원래 자기장의 변화를 방해하는 쪽으로 생긴다는 법칙
교류: 방향이 번갈아 바뀌는 전류
가상 관찰 자료: 원리를 비교하기 위해 제시한 관찰 자료

다 풀고 나면

닫힌 회로에서 코일을 통과하는 자기장이 변하면 전지가 없어도 유도 전류가 흐름을 설명할 수 있다.
자기장이 있는 것과 변하는 것을 구별하여, 멈춰 둔 자석으로는 유도 전류가 계속 흐르지 않는 까닭을 말할 수 있다.
자석과 코일 중 어느 쪽을 움직여도 코일을 통과하는 자기력선 수가 변하면 유도 전류가 생김을 판단할 수 있다.
극과 가까이하기·멀리하기를 바꿀 때 유도 전류의 방향을 기준 관찰과 비교해 판단할 수 있다.
움직이는 빠르기·자석의 세기·코일의 감은 수가 유도 전류의 세기에 주는 영향을 조건을 통제한 비교로 설명할 수 있다.
발전기가 코일이나 자석을 돌려 코일을 통과하는 자기장의 변화를 반복해서 만드는 원리를 설명할 수 있다.
발전기의 전기 에너지가 돌리는 일에서 오고 자석은 자기장을 마련함을 구별하고, 들어온 에너지와 나간 에너지를 비교할 수 있다.
발전기와 전동기의 주된 에너지 전환을 비교할 수 있다.

이렇게 풀면 됩니다

2쪽의 '질문 지도'로 세 묶음의 질문과 이어지는 확인 문제 번호를 먼저 보고, '이 편의 판단 지도'에서 ①~⑥ 단계의 흐름을 훑어봅니다. 3쪽의 '먼저 꺼내 올 것' 표에서 자기장·자기력선·닫힌 회로·검류계의 뜻과 '이 학습지 실험의 약속'을 확인합니다.
질문을 읽고 내 답을 한 번 말해 본 뒤 '한줄답'과 그림·표를 읽습니다. 비유로 뜻을 잡고, '이 비유는 여기까지만 맞다'와 ×·✓ 상자에서 잘못 받아들이기 쉬운 부분을 확인합니다. 21~22쪽의 탐구는 가상 관찰 자료에서 어떤 두 실험을 비교해야 하는지 직접 짝 지어 보고, '실전 연결'은 판단 지도와 기준 관찰로 먼저 풀어 본 뒤 표를 확인합니다.
묶음이 끝날 때마다 확인 문제(12~15쪽 1~14번, 22~25쪽 15~28번, 34~37쪽 29~40번)를 풉니다. 여유가 있으면 38~40쪽 선택 확장 3문항에도 도전합니다. 43~44쪽 빠른 정답과 45~51쪽 풀이와 오답 점검으로 맞춰 본 뒤 틀린 문제는 해당 질문으로 돌아갑니다.
끝으로 41쪽 '한눈에 정리'의 판단 지도 완성판을 ①부터 차례로 말해 보고, 42쪽 '자주 하는 실수' 표의 바로잡기 칸을 가리고 스스로 고쳐 말해 봅니다.

PDF 열기

이 자료에 의견 보내기

틀린 곳을 찾았거나, 궁금한 점, 다음에 나왔으면 하는 자료가 있으면 알려 주세요. 보낸 내용은 공개되지 않고 선생님만 읽습니다.