[비센의 재미있는 과학 이야기] 전자기 유도와 무선충전 원리
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작성자 석준영 쪽지보내기 메일보내기 홈페이지 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 작성일15-04-13 10:58 조회6,303회 댓글0건관련링크
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폭발적인 충전 수요 , 무선 충전이 대안 등장
‘전류가 흐를수 있는 폐회로의 내부를 통과하는 자기 선속량의 변화가 생기면 그에 따라 폐회로에 기전력이 유도된다.’
이는 1831년 영국의 물리학자 마이클 패러데이(Michael Faraday, 1791-1867)의해서 발표된 전자기 유도 현상이라는 물리 법칙입니다.
무슨 뜻인지 이해하기 난해한 이 한 문장으로 설명된 법칙이 바로 현대 우리들의 문명화된 삶의 가장 중추적인 역할을 담당하고 있는 과학적 원리, 즉 발전기의 작동 원리입니다.
자석의 주변 공간에 철못 등이 놓이면 자기력의 영향을 받아 자석에 끌려가게 됩니다.
이렇게 자석이 그 공간에 얼마만큼의 영향(자기력)을 미칠 수 있는가를 나타내는 물리량을 바로 자기장이라고 합니다. 이렇게 자기장이 형성되어 있는 공간 내부에 전기가 흐를 수 있는 회로를 위치시키고, 회로 가운데 부분을 통과하는 자기장의 세기를 변화시키거나, 자기장이 뚫고 지나가는 공간의 크기를 변화시키면 그 회로에 전기가 흐르게 된다는 것이 맨 처음 문장이 이야기하는 전자기 유도 현상입니다.
발전기는 커다란 자석과 그 안쪽에 전기가 흐를수 있는 코일이 위치하고 그 코일의 중심축은 회전할 수 있는 터빈에 연결되어 있는데, 이 터빈을 어떤 동력에 의해서 회전시키느냐에 따라 발전기의 종류가 정해집니다.
물레방아와 비슷하게 떨어지는 물의 낙차를 이용해 그 터빈을 돌리게 되면 수력발전이 되는 것이고, 석유나 석탄을 때서 만들어지는 증기를 이용해서 터빈을 돌리게 되면 이를 화력발전이라고 부르게 되는 것입니다.
이 뿐만 아니라, 아이들 장난감 손전등이나 자전거 바퀴에 연결되어 계속 불이 들어오게 하는 조그마한 장치들도 크기가 작을 뿐 정확히 같은 원리에 의해 작동됩니다. 아이들의 손전등 중에 위 아래로 마구 흔들어 주면 불이 들어오게 되는 손전등도 있는데, 이는 원동형 손전등 몸체에 코일이 감겨져 있고, 그 내부에 막대자석이 들어있는 형태로 위아래로 흔들어 줄 때 막대자석이 운동하면서 자기장의 변화를 만들어 내고, 그에 의해 코일에 전기가 만들어져 손전등에 불을 밝힐 수 있는 것으로 역시 패러데이의 전자기 유도현상을 그대로 응용한 예입니다.
이렇듯 우리들의 삶 속에 스며 들어 있는 패러데이의 전자기 유도 법칙이 최근에 새로운 기술에 응용되면서 다시 각광을 받기 시작하고 있는데, 이것이 바로 무선 충전의 원리입니다.
새롭게 출시되는 핸드폰들이 플러그를 꼽을 필요 없이 패드 위에만 올려놓으면 충전이 되는 무선 충전원리를 적용하면서 요근래 대중의 흥미를 끌고 있습니다. 하지만, 전자기 유도 현상을 이용해 무선 충전을 하는 것은 사실 꽤 오래 전부터 우리의 실생활에 사용되고 있었는데요, 바로 무선 전동 칫솔입니다.
전동칫솔을 이용하시는 분들은 유심히 전동칫솔을 확인해 보시면 칫솔과 거치대의 연결부분에 플러그에 해당하는 전극이 전혀 없음을 아실 수 있을 것입니다.
이는 물에 노출될 수 밖에 없어 항상 감전의 위험을 갖고 있던 전동칫솔의 문제점을, 전극을 없애고 무선충전 방식을 사용함으로써 해결한 것인데, 거치대에 위치한 전자석의 자기장이 변화를 일으키면 칫솔의 하단부에 들어있는 코일에 전기가 유도되고, 이렇게 유도되어진 전기를 배터리에 충전시키는 방법을 사용하는 것입니다.
하루 종일 대부분 거치대에 놓여있고, 십여분 이상 사용되지 않는 전동칫솔은 그리 많지 않은 전력을 충전하는 것 만으로도 사용하는데 문제가 없었기 때문에 꽤 오래전부터 실용화되어 사용되어 왔던 것과는 달리 상당히 많은 양의 전기를 빠른 시간내에 충전이 되야하는 스마트폰의 경우, 원리는 동일하지만 그 기술을 응용함에 있어서 오랜 연구와 노력이 필요했던 것입니다.
하지만, 이러한 자기유도방식은 자기장의 변화를 만들어내는 부분과 전기가 유도되는 코일이 매우 가깝게 위치해야 하기 때문에, 단지 전극을 사용하지 않는다는 것 뿐, 지정된 패드위에 위치시켜야만 하는 불편함이 있습니다.
자기 유도 방식에 의한 이러한 근거리 충전의 문제점을 해결하고자 머지 않은 미래에 실용화될 것으로 기대되는 원거리 무선 충전 방식으로는 자기 공진(Magnetic Resonance)방식이 있습니다. 이는 의학 진단에 사용되는 자기 공명 단층 촬영기(Magnetic Resonance Imaging, MRI)와 비슷한 원리를 이용하는 것으로 실내의 한부분 플러그에 꽂여있는 자기 공명 장치에서 자기장을 공진주파수(Resonance frequency)에 맞춰 진동시키면, 수 미터내의 거리에 있는 특수 코일에 자기 공명에 의해 전기가 유도되고, 충전될 수 있는 원리에 해당합니다. 이러한 원리를 이용하여 이미 2006년에 MIT의 연구진은 약 2미터정도 떨어진 곳에 위치한 전구에 전기를 유도시켜 불을 밝히는 실험을 성공을 하는 등 이 역시 수년내에 실용화될 것으로 기대됩니다.
플러그에 꽂지 않고, 그저 테이블 위에 올려놓기만 해도 스마트폰이 충전이 되고, 더 나아가 그저 집안에 들어오기만 하면 어디에 있던 스마트폰, 노트북, 태블렛 등이 자동으로 충전이 되고, 전기 자동차가 특수한 판이 심어져 있는 길 위를 지나가기만 해도 전력을 공급받을 수 있는, 그런 공상과학 영화에서 보아온 이야기들이 현실화되는 것이 얼마 남지 않았다는 것도 흥미롭지만, 사실 이러한 모든 기술들을 가능케 하는 물리법칙은 이미 약 200여년 전부터 밝혀져 있는 원리라는 것이 더 눈길을 끕니다.
이렇게 적어도 과학을 공부한 사람이라면 누구나 쉽게 알고 있는 그런 원리들로부터 누구도 상상치 못했던 것들을 현실화시킬 수 있는 안목과 창의력을 기르는 일, 오늘날 이공계를 공부하는 사람들에게 무엇보다 중요한 과제가 아닐까 생각합니다.
석준영 비센학원장
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