자기부상열차 원리 어렵지 않아요~

과학향기

우리 주변의 물체 대부분은 외부에서 밀거나 당기는 등 힘을 가해야만 움직이지요. 그런데 힘을 가하지 않아도 물체 스스로 밀거나 당기는 물체가 있어요. 바로 ‘자석’이예요. 자석끼리 서로 밀어내거나 끌어당기는 힘, 또는 자석이 다른 물체를 끌어당기는 힘을 ‘자기력’이라고 해요.

자기력의 크기는 자석들 사이의 거리에 따라 달라져요. 자석 사이의 거리가 가까울수록 힘이 커지지요. 두 자석을 서로 다른 극끼리 마주 보게 놓아두면 자기력 때문에 서로 달라붙겠지요? 하지만 두 자석의 거리가 멀어질수록 자기력은 약해지고, 결국에는 서로에게 아무런 영향도 끼치지 않게 된답니다.

자석은 자기력 외에도 다양한 성질을 가지고 있어요. 막대자석의 한쪽은 빨간색으로 칠해져 있고 다른 쪽은 파란색으로 칠해져 있지요. 빨간색 부분은 N극이고 파란색 부분은 S극이예요. 이렇게 하나의 자석 안에는 N극과 S극이 함께 존재한답니다. 그런데 이 막대자석을 정확하게 반으로 나누면 어떻게 될까요? 신기하게도 쪼개진 부분들이 각각 N극과 S극으로 나눠진답니다. 자석을 아무리 잘게 쪼개도, 조각들의 양 끝은 항상 N극과 S극을 띠게 돼요.

자석은 다른 물체에게 자신의 능력을 나눠주기도 해요. 철 안에는 자성을 가진 작은 입자들이 들어 있는데, 평소에는 멋대로 흐트러져 있다가 자석을 가까이 하거나 자석으로 문지르면 가지런히 배열돼요. 이런 현상을 ‘자화’라고 해요. 자화된 철은 마치 자석처럼 자기력을 갖게 돼요. 자석도 아니면서 자석처럼 행동하게 만드는 자화 현상, 실험을 통해 더 자세히 알아볼까요?

[교과과정]

초 3-1 자석의 성질

초 6-1 자기장

[학습주제]

자석의 성질과 자기력 이해하기

자화현상 관찰하기

<실험 방법 및 원리>

실험에서 바퀴가 철길을 구르는 것을 관찰해 보면, 바퀴의 폭보다 넓어지는 철길 끝에서도 떨어지지 않고 꼭 붙어 다시 뒤돌아 굴러오는 것을 볼 수 있어요. 이렇듯 바퀴와 철사가 붙어 있을 수 있는 이유는 자화 현상 때문입니다. 바퀴에 연결된 나사 두 개가 네오디뮴 자석으로부터 자기력을 받게 된 거지요. 때문에 철길에 단단하게 달라붙어 철사길을 뒤집거나 흔들어도 바퀴가 떨어지지 않고 철길에 붙어 계속 굴러갈 수 있는 거랍니다.

실험에서는 자석이 물체를 당기는 힘을 이용해 이동하는 물체를 만들었어요. 반대로 자석이 서로를 밀어내는 힘을 이용하는 탈것도 있답니다. 바로 자기부상열차가 그 주인공이죠. 자기부상열차는 바닥에 초전도체를 이용한 초전도 자석을 놓고 레일 위치에 전자석을 놓아 만들어요. 초전도 현상이 일어나는 초전도체는 전기 저항이 사라지는 것 외에도 아주 큰 자기장을 만들거나 가두어 둘 수 있어요. 초전도 현상이란 섭씨 영하 200도 이하의 매우 낮은 온도에서 전기 저항이 사라지는 현상을 말해요.

열차 바닥의 초전도자석과 전자석의 자기장 방향은 반대지요. 때문에 열차와 레일 사이에 서로 밀어내는 척력이 생기고 무거운 열차가 공중에 뜰 수 있는 거랍니다. 자기부상열차는 마찰력이 거의 발생하지 않아 적은 동력으로도 먼 거리를 갈 수 있어요. 이렇듯 자석은 우리 일상생활에서 다양하게 쓰이고 있답니다.

글 : 유기현 과학칼럼니스트

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