자이로드롭의 원리 마그네틱 브레이크! 세특 심화 주제 탐구 전자기유도, 자석과 자성체 Magnetic brakes - 물리, 수학, 통합과학

자이로 드롭의 원리

 

오늘은 전자기 유도현상과 자성체의 성질을 이용한 자이로 드롭의 원리에 대해 공부해보겠습니다. 고등학교 통합 과학과 물리학 1에서 배우는 내용으로 간단한 설명이 가능한 주제입니다! 자이로 드롭의 원리를 공부하고 세특 주제를 정리해 보겠습니다. 2014년 IYPT에는 'Magnetic brakes'란 주제가 있었습니다.

When a strong magent falls down a non-ferromagnetic metal tube, it will experience a retarding force. Investigate the phenomenon.

강한 자석이 비자성체 금속관에 떨어질 때 저항력이 나타나는 현상을 관찰하라는 주제였습니다. 비자성체란 강자성체에 대한 약자성체의 총칭입니다. 자기장에 자화 되지 않는 물체를 비자성체라고 하지만 엄밀한 의미에서 완전 비자성체는 존재하지 않습니다. 따라서 통상적으로 상자성체 혹은 반자성체 등 약자성체를 비자성체라고 합니다.

 

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마그네틱 브레이크

이 현상을 해석하면 다음과 같은 경우를 생각해볼 수 있습니다. 구리는 대표적인 반자성체(Diamagnetic) 물질로 자석이 붙지 않습니다. 구리의 이런 성질 때문에 전자기장 차폐용으로도 많이 사용됩니다.

*참고 영상: Annie Garwood 유튜브: Neodymium magnet falling through a copper tube

 

영화 '어메이징 스파이더맨 2'에서 일렉트로와 싸우는 스파이더맨에게 여자 친구인 그웬(엠마 스톤)이 구리를 이용해 싸우라는 조언 합니다. 이는 구리가 반자성체를 띠는 물질임을 이용하란 뜻입니다! 마블 영화 속에는 생활과학 기초 지식이 참 많이 녹아있습니다. 모르고 봐도 재밌지만 알고 보면 더 재밌습니다! :)

 

어메이징 스파이더맨

구리의 반자성체 성질은 IYPT 주제로 등장한 마그네틱 브레이크를 해석하는 중요한 특성입니다. 구리관에 자석을 떨어뜨리면 자석이 천천히 낙하합니다. 이는 구리의 반자성체 성질 때문입니다. 중력에 의하여 가속하는 자석은 자기장의 변화에 따른 전기장의 변화를 유도합니다. 그렇기 때문에 구리관 속에 맴돌이 전류가 흐릅니다. 자석이 중력에 의하여 낙하하면 그 힘에 의해 구리관 속에 있는 전자들이 가속하게 되고 전자가 방향성을 갖고 움직이면 자기장이 생깁니다. 즉, 순간적으로 구리관의 일부분이 자석으로 변합니다. 구리는 반자성체로 자화 되면 척력을 일으키는 성질이 있습니다. 따라서 이 성질을 이용하며 마그네틱 브레이크를 만들며 자이로 드롭의 원리가 됩니다. 이 원리를 좀 더 자세히 알아보기 위하여 논문을 공부했습니다.

 

 

Damped fall of magnets inside a conducting pipe

 

여기서 구리관은 마치 코일과 유사한 역할을 합니다. 이때 구리관에 유도 기전력이 작용합니다. 유도 기전력의 크기는 다음과 같습니다.

 

유도기전력의 크기

여기서 N은 코일의 감은수, 구리관에서는 두께를 이용하여 표현할 수 있고 pie는 자속의 변화를 의미합니다. 구리관의 두께를 코일의 감은수라 생각한다면 관이 두꺼울수록 유도 기전력이 강해집니다. 즉 두꺼운 관에 자석을 떨어뜨리면 더 천천히 내려간다는 의미입니다. 또한 자속의 변화가 강할수록 유도 기전력이 강해지는데 자속의 변화는 강한 자석, 네오디움과 같은 자석을 사용할수록 강해집니다. 또한 시간에 따른 변화량이므로 속도가 빠를수록 더 강해집니다. 이 유도 기전력은 자속의 변화의 반대방향이기 때문에 중력에 반대방향으로 기전력에 비례하는 제동력이 생깁니다.

Magnetic brakes에서 생각해볼 만한 실험 요소

1. 관의 두께에 따른 유도 기전력의 세기와 제동력의 크기 변화
2. 관의 면적에 따른 자석의 면적을 통과하는 전기력에 세기와 제동력의 크기 변화
3. 전자기력과 중력이 평형을 이뤄 공중에 떠 있을 수 있는가?
4. 자석의 개수(자기력의 세기)와 무게에 따른 가장 효율적인 제동 조건 파악하기
5. 구리관을 액체질소에 담가서 초전도 현상에 가깝게 만들면 저항이 없어진다. 이때 제동력의 크기는 어떻게 변하는가?
6. 만일 초전도체가 된다면 자석은 공중에 떠 있을까?

Magnetic brakes와 관련된 세특 심화 주제 탐구

1. 자이로 드롭의 원리 물리학적 해석과 실험 모델을 통한 연구 주제 - 물리학과, 전기공학, 기계공학 등
   자이로 드롭의 원리를 위에서 설명한 Magnetic brakes와 연결하여 분석한다면 상당히 심오한 탐구 과제를 수행할 수 있습니다. 특히 이론적 해석과 실험적 결과를 비교하여 수치와 오차에 따른 결론 도출을 한다면 매우 임팩트 있는 보고서를 작성할 수 있습니다.
   
   
2. Magnetic brakes는 제동력이지만 자석을 이용하면 가속력도 낼 수 있습니다. 'Gaussian cannon' 실험하기 - 물리학과, 전기공학, 기계공학 등
   
   

Gaussian cannon

 

가우시안 캐논은 2012년 IYPT 주제였습니다. IYPT 주제는 일상과 연결된 심화 탐구 주제로 정말 좋습니다.

When a strong magnet falls down a non-ferromagnetic metal tube, it will experience a retarding force. Investigate the phenomenon.

자석과 쇠구슬을 붙여두고 쇠구슬을 충돌하면 쇠구슬이 가속되어 날아가는 현상을 볼 수 있습니다. 제동력과 가속력을 비교하는 주제입니다. 마그네틱 브레이크와 마찬가지로 상당히 재미있는 주제입니다. 주제 분석을 통한 실험에 따라 임팩트 있는 보고서를 작성할 수 있습니다. 자석을 이용한 주제가 재미있는 주제가 많네요 :)

 

IYPT와 관련된 물리 융합 주제가 궁금하다면 아래 포스팅을 확인해주세요!

생명과학 세특 인공근육 근육의 구조와 활동 특성