뿌리학습 · 중학 과학탐구
자기장과 전류의 작용
자석에 클립이 붙고, 자석 두 개를 가까이 하면 서로 밀거나 당긴다는 것은 초등에서 확인했다. 전지에 감은 에나멜선을 연결하면 자석처럼 된다는 것도 보았고, 전지를 더 많이 연결하면 세지고 전지의 방향을 바꾸면 극이 뒤집힌다는 것까지 관찰했다. 중학교에서는 그때 본 일이 왜 그런지를 설명할 틀을 세운다. 그 틀이 자기장이다.
이 단원, 내가 꺼낼 수 있는지 확인해 볼까요?
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개념 정리
자기장은 자석이나 전류가 흐르는 도선 주위에서 자기적인 힘이 나타나는 공간이다. 눈에 보이지 않지만 그 안에 다른 자석이나 철로 된 물체를 놓으면 힘을 받는다.
보이지 않는 것을 보려면 도구가 필요하다. 자석 위에 종이를 덮고 철가루를 뿌리면 철가루가 어떤 무늬를 이루며 늘어선다. 나침반을 자석 가까이 놓으면 바늘이 특정 방향을 가리킨다.
여기서 가장 조심할 것이 있다. 철가루나 나침반은 자기장을 보여주는 도구이지 자기장 자체가 아니다. 나침반을 자석 둘레에 동그랗게 늘어놓았다고 해서 자기장이 동그란 것이 아니다. 나침반을 어디에 놓든 자기장은 원래 그대로 있고, 우리는 그저 그 자리의 자기장이 어느 쪽을 향하는지를 바늘로 읽는 것이다. 읽어야 할 것은 나침반이 놓인 자리가 아니라 바늘이 가리키는 방향이다.
자기장에는 세기와 방향이 둘 다 있다. 자석에 가까울수록 세고, 각 지점마다 향하는 쪽이 정해져 있다. 방향까지 함께 보는 것이 중요하다. 힘이 세다는 것만 생각하면 자석 둘레에 힘이 뭉쳐 있는 덩어리를 떠올리게 되는데 그런 것이 아니다.
자기장의 모양을 선으로 나타낸 것을 자기력선이라고 한다. 자기력선은 자석 바깥에서는 N극에서 나와 S극으로 들어가고, 자석 안에서는 다시 S극에서 N극으로 이어져 끊어진 곳 없이 닫힌 모양을 이룬다. 자석의 양쪽 끝에서 따로따로 생겨나는 것이 아니라 자석 전체를 감싸며 이어지는 하나의 모양이다.
이 부분이 헷갈리기 쉽다. 극에서 힘이 세다는 것을 초등에서 겪었기 때문에 극에만 무언가 있다고 생각하기 쉽다. 극 근처에서 자기력선이 촘촘한 것은 맞지만, 그렇다고 극에서만 자기장이 있는 것은 아니다.
이제 전류로 넘어가자. 전선에 전류가 흐르면 그 주위에 자기장이 생긴다. 전류가 흐르는 전선 옆에 나침반을 놓으면 바늘이 움직인다. 전류를 끊으면 바늘이 제자리로 돌아온다. 자석이 없는데도 자기장이 생긴 것이다.
전선을 여러 번 감아 코일로 만들면 자기장이 더 세진다. 감은 수를 늘리거나 전류를 세게 하면 자기장도 세진다. 초등에서 전지를 더 연결할수록 전자석이 세졌던 것이 바로 이것이다. 그때는 현상만 보았고 지금은 그것을 자기장으로 설명하는 것이다.
방향도 정해져 있다. 전류의 방향을 반대로 바꾸면 자기장의 방향도 반대가 된다. 초등에서 전지의 극을 바꾸면 전자석의 N극과 S극이 뒤바뀌었던 것이 이것이다.
코일 주위 자기장의 방향은 오른손으로 찾을 수 있다. 오른손 네 손가락을 코일을 따라 흐르는 전류의 방향으로 감아쥐면, 펴 든 엄지가 가리키는 쪽이 코일의 N극이다. 직접 손으로 해 보는 것이 좋다. 규칙의 이름을 외우는 것보다 손으로 확인하는 것이 이 단계에서는 더 낫다.
여기까지가 전류가 만드는 자기장이다. 이제 그 반대편을 보자. 자기장 속에 전류가 흐르는 도선을 놓으면 어떻게 될까.
도선이 힘을 받아 움직인다. 자석이 만든 자기장 속에 전류가 흐르는 도선을 놓으면 도선이 힘을 받는 것이다. 이 힘을 자기력이라고 한다. 전류가 흐르는 도선 주위에도 자기장이 생기므로, 자석의 자기장과 전류가 흐르는 도선이 서로 영향을 주어 힘이 생긴다고 볼 수 있다. 자석 두 개 사이에 밀거나 당기는 작용이 나타나는 것과 비슷하게, 자석의 자기장과 전류가 흐르는 도선 사이에도 작용이 나타나는 것이다.
여기서는 도선이 자기장에 가로놓인 경우를 생각한다. 도선이 자기장과 나란히 놓이면 힘을 받지 않는다.
이 힘에는 규칙이 있다. 전류를 세게 하면 힘이 커진다. 자석을 센 것으로 바꿔도 힘이 커진다. 전류의 방향을 반대로 하면 힘의 방향이 반대가 되고, 자석의 N극과 S극을 바꿔 놓아도 힘의 방향이 반대가 된다. 둘 다 바꾸면 힘의 방향은 원래대로 돌아온다.
힘의 방향도 손으로 찾을 수 있다. 힘이 얼마나 큰지를 계산으로 구하는 것은 고등학교에서 배운다. 여기서는 무엇을 바꾸면 어떻게 되는지를 예상하고 확인해 보는 데까지 다룬다.
이 원리로 만든 것이 전동기다. 자석 사이에 코일을 놓고 전류를 흘린다. 같은 자기장 속에서 코일의 한쪽과 다른 쪽에는 전류가 서로 반대 방향으로 흐르므로, 두 도선이 받는 힘의 방향도 서로 반대가 된다. 한쪽은 위로, 다른 쪽은 아래로 힘을 받으니까 코일이 돌아간다.
코일이 반 바퀴를 돌면 위아래가 뒤바뀐다. 그대로 두면 이번에는 반대 방향으로 밀려서 되돌아오려 할 것이다. 그래서 계속 같은 방향으로 돌게 하려면 반 바퀴마다 전류의 방향을 바꿔 주어야 한다. 전동기에는 그 일을 하는 장치가 들어 있다.
전동기는 우리 주변에 아주 많다. 선풍기가 돌고 세탁기가 통을 돌리고 전기차가 달리는 것이 모두 전동기 덕분이다. 스피커도 같은 원리로 작동한다. 흘려 주는 전류가 바뀌면 자석 사이에 있는 코일이 받는 힘도 바뀌고, 코일에 붙은 얇은 판이 그에 따라 떨린다. 그 떨림이 소리가 되어 퍼져 나간다.
전기 기구 안에서 전동기가 하는 일을 에너지로 보면 이렇다. 전기 에너지를 기계적 에너지로 바꾸어 물체를 움직이게 한다. 전기 에너지가 다른 형태로 바뀐다는 점은 전구와 같지만, 전구는 빛과 열로 바꾸고 전동기는 주로 기계적 에너지로 바꾼다는 점이 다르다.
이 단원 시험에서 묻는 것
학교 시험은 교육과정 성취기준을 바탕으로 출제됩니다. 이 단원의 성취기준은 다음을 할 수 있는지 확인하도록 정하고 있습니다.
- [9과14-04]자기장 안에 놓인 전류가 흐르는 코일이 받는 힘의 특성을 추리하고, 전동기 등 일상생활에서 활용한 예를 찾을 수 있다.
자주 하는 착각
이 단원 오답의 뿌리 — 보여주는 도구를 보여지는 것으로 착각한다
- 자기장은 눈에 보이지 않아서 나침반이나 철가루를 빌려 본다. 그런데 학생은 그 도구 자체를 자기장으로 받아들인다. 자석 둘레에 나침반을 동그랗게 늘어놓으면 자기장도 동그랗다고 판단하고, 나침반이 놓인 자리를 이어서 자기력선을 그린다. 읽어야 할 것은 바늘이 가리키는 방향인데 나침반의 위치를 읽는 것이다. 아래 오답 대부분이 이 하나에서 갈라져 나온다.
자기장을 무엇으로 보는가
- 자기장을 방향 없는 덩어리로 본다. 자석 전체에 힘이 골고루 퍼져 있다거나 자석 바깥에 테두리가 하나 둘려 있다고 그린다. 「끌어당기는 힘이 N극에서 S극으로 골고루 생겨서」라고 설명한다. 자기장에는 세기만 있는 것이 아니라 방향이 있는데, 학생은 세기 쪽만 붙잡는다. 이 생각은 도구를 바꾸어 다시 물으면 오히려 늘어난다.
- 자기력선이 양극에서 따로 생긴다고 본다. 자석 가운데를 기준으로 좌우에 타원을 하나씩 그려서, 자기력선이 자석 중간에서 시작하고 중간에서 끝나게 만든다. N극과 S극을 하나로 잇지 못한다. 「자석의 양극이 힘이 세기 때문」이라고 답하면서도 정작 극이 어디인지를 짚지 못하며, 자석의 가운데를 극으로 오해하는 경우도 있다.
- 자기력선이 자석 끝에서 퍼져나가기만 하고 돌아오지 않는다고 본다. 양 끝에서 뻗어나가는 선은 그리지만 두 극을 연결하지는 않는다. 3번과 뿌리가 같아서, 둘 다 자기력선을 자석 전체를 감싸며 이어지는 하나의 연속된 모양으로 보지 못하는 것이다.
도구가 바뀔 때
- 철가루로 본 자기장과 나침반으로 본 자기장을 같은 것으로 잇지 못한다. 두 결과가 왜 다르냐고 물으면 답하지 못한다. 같은 자석의 같은 자기장인데 무엇으로 보느냐에 따라 다른 것이 있다고 여긴다. 실제로 나침반으로 물었을 때 답의 유형이 철가루 때보다 더 복잡해지고 뒤섞인다.
- 보여주는 것이 많을수록 더 잘 읽을 것 같지만 반대다. 나침반을 여럿 늘어놓고 보여주면 학생은 나침반들을 잇는 데로 빠진다. 나침반 하나로 방향을 하나씩 찍어 가게 하면 훨씬 잘 읽는다. 시각 자료에 요소를 늘리는 것이 도움이 되지 않을 수 있다.
대체로 맞은 것과 정확한 것
- 자기력선을 그리게 하면 얼추 맞게 그린 학생이 열에 일곱쯤 되지만, 극 부분까지 정확히 그린 학생은 넷에 하나 정도다. 극에서 선이 직선으로 뻗거나 좌우 대칭이 맞지 않는 등 부분적으로 어긋난 그림이 그 사이를 채운다. 맞았는지 틀렸는지로만 보면 잘하고 있는 것처럼 보인다. 그림을 세부까지 봐야 한다.
전동기로 넘어갈 때
- 위의 오답들이 그대로 전동기 이해를 막는다. 이 단원은 전동기를 코일과 자석의 상호작용으로 설명하도록 되어 있는데, 자기장을 방향 없는 덩어리로 보거나 나침반의 위치로 보는 학생에게는 「자석이 만든 자기장 속에서 전류가 흐르는 코일이 힘을 받는다」는 설명이 성립하기 어렵다. 전동기 앞에서 막히는 것처럼 보여도 실제로 막힌 자리는 그 앞이다.
- 전동기를 부품 이름으로 외우려 한다. 코일과 자석 사이에 무슨 일이 일어나는지가 아니라 어떤 부품이 붙어 있는지를 답으로 삼는다. 다만 이 항목은 국내 조사 자료로 확인된 것이 아니라 교육과정이 상호작용 관점을 명시 요구한다는 점에서 역으로 짚은 것이다.
- 전동기와 발전기를 뒤섞는다. 생김새가 비슷하고 둘 다 코일과 자석으로 되어 있어서 같은 것으로 다루기 쉽다. 이 단원이 다루는 것은 전류가 흘러서 힘을 받는 쪽뿐이고, 돌려서 전류를 만드는 쪽은 고등학교 내용이다. 이 항목도 실증 자료가 아니라 범위 관리 차원의 기록이다.
이런 오개념, 나도 갖고 있을까?
자석 둘레에 나침반을 동그랗게 늘어놓으면 자기장도 동그란 모양이다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
나침반을 동그랗게 배치하면 그 배열 자체가 둥글어 보이기 때문에 자기장도 동그랗다고 받아들이기 쉬워요. 하지만 나침반은 자기장을 보여 주는 도구일 뿐, 나침반의 위치가 자기장의 모양을 나타내지는 않아요. 실제로는 각 나침반 바늘이 가리키는 방향을 읽어야 하고, 그 방향들을 이어 그린 선이 자기력선이에요.
자기장은 세기뿐만 아니라 방향도 함께 가지며, 위치마다 그 방향이 다르게 나타난다.정답 보기
O (맞는 설명이에요)
자석이 물체를 끌어당기는 모습을 보면 힘이 사방으로 퍼지는 것처럼 느껴지기 쉬워요. 그래서 자기장을 방향 없이 고르게 퍼진 덩어리로 떠올리게 되는 경우가 많아요. 실제로는 자기장에는 세기와 함께 방향이 반드시 있으며, 자석 주변의 각 위치마다 자기장이 가리키는 방향이 서로 달라요. 도구나 질문 방식이 바뀌어도 이 점은 달라지지 않아요.
자기력선은 N극과 S극에서 각각 따로 생겨나며, 자석의 중간 지점에서 시작하거나 끝난다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
자석의 양극이 힘이 세다는 것을 알다 보니, 각 극 주변에 자기력선이 따로 생긴다고 생각하기 쉬워요. 또 자석을 그림으로 그릴 때 양쪽에 타원을 하나씩 그리는 방식에 익숙해지면, 자기력선이 중간에서 끊기는 것처럼 보이기도 해요. 실제로는 자기력선은 N극에서 출발해 공간을 지나 S극으로 연결되는 하나의 끊기지 않는 선이에요. N극과 S극은 자석의 양 끝에 있으며, 자석의 가운데는 극이 아니에요.
나머지 OX 문제와 4지선다 문제는 앱에서 풀어볼 수 있어요.
자주 묻는 질문
교육부 고시 제2022-33호 과학탐구 교육과정 기반