KR20180040845A - 전자석 세기측정기 및 그의 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 교육을 위한 전자석 세기측정기 및 그의 측정방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 전류가 흐를 때 전류에 의한 전자석의 세기를 눈으로 확인 할 수 있도록, 코어 외부에 에나멜코일을 감은 솔레노이드 전자석과, 발생되는 전자석의 세기에 의해 반발력으로 이동할 수 있게 네오디뮴(자석)을 포함하는 발사체가 발사로를 따라 이동되어지는 발사대를 구성하여, 발사체의 이동거리를 통하여 전자석의 세기를 쉽게 측정할 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 전자석 세기측정기 및 그의 측정방법에 관한 것이다.

Description

전자석 세기측정기 및 그의 측정방법 { Electromagnet intensity measuring instrument }

본 발명은 교육을 위한 전자석 세기측정기 및 그의 측정방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 전류가 흐를 때 전류에 의한 전자석의 세기를 눈으로 확인할 수 있도록, 코어 외부에 에나멜코일을 감은 솔레노이드 전자석과, 발생되는 전자석의 세기에 의해 반발력으로 이동할 수 있게 네오디뮴(자석)을 포함하는 발사체가 발사로를 따라 이동되는 발사대를 구성하여, 발사체의 이동거리를 통하여 전자석의 세기를 쉽게 측정할 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 전자석 세기측정기 및 그의 측정방법에 관한 것이다.

전류나 자기장의 방향이 눈에 보이지 않기 때문에 현상을 통해 그 원리를 알게 하는데 이때 눈으로 볼 수 있는 그림으로 표현할 수 있게 하거나, 나아가 센 전자석을 만들게 할 수 있는 방법을 생각해보게 함으로써 자기장에 대한 전반적 원리를 바탕으로 일상생활에서 쉽게 볼 수 있는 전자석을 이용한 물건에 대해 알아보도록 하고 전자석의 원리를 쉽게 이해할 수 있도록 물건의 모형을 장난감으로 만들어봄으로써 쉽게 그 원리와 효과를 경험할 수 있는 자료를 만들어 수업에서 도움을 주기도 한다.

도 1은 솔레노이드에 전류를 흘리면 그 주변에 자기장이 유도되는 형상도를 나타낸 것으로, 솔레노이드(프랑스어: solenoede)는 도선을 촘촘하게 원통형으로 말아 만든 기구이다. 솔레노이드는 솔레노이드에 전기를 흘려 자기장을 만들 수 있어 전자석으로 주로 이용된다.

도 2는 전자석 세기의 측정을 클립이나 시침핀을 이용한 예시도를 나타낸 것으로, 전자석의 세기를 측정하기 위하여 지금까지 사용해 왔던 방법으로 전자석에 흐르는 전류의 세기나 코일의 감은 횟수 등을 변화시키면서 전자석에 시침핀이나 클립을 붙여 그 개수를 세어 전자석의 세기를 측정하는 방식이다.

전자석에 붙은 클립이나 시침핀의 갯수를 세어 전자석의 세기를 측정하는 종래의 방식은 시침핀의 개수가 많아 세는 데 시간이 많이 걸리고 분실하거나 찔릴 위험이 있으며 클립의 경우 하나의 무게가 무거워 전자석의 세기 변화가 작을 때 감지하기 어렵다. 또한 같은 세기의 전자석으로 실험을 반복해 보면 실험결과의 편차가 크며 실험하는 데에 많은 시간이 걸린다는 문제점을 가지고 있었다.

과학은 귀납적 추론의 과정이므로 하나의 결론에 도달하기 위하여 반복적인 실험을 하여 같은 경향성을 띄는지 실험하는 것이 아주 중요하다. 그러나 종래의 전자석 세기 측정방식은 시간이 많이 걸려 한 시간의 수업에서 반복적인 실험을 하기가 어려워 한 번의 실험으로 결론에 도달할 수밖에 없는 맹점을 지니고 있다.

이는 과학적 귀납추론의 오류를 실험 자체에 내포하고 있는 것이다. 따라서 보다 과학적인 귀납추론을 통해 학생들이 올바른 과학적 결론에 도달하도록 하기 위해서는 지금까지의 방법과는 달리 전자석의 세기를 빠르고 정확하게 측정할 수 있는 장치의 개발이 필요하다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 전자석의 세기를 눈으로 확인 할 수 있도록, 에나멜코일의 감은 횟수가 다른 몇 가지 종류의 솔레노이드와 철, 알루미늄, 유리, 흑연 등 여러 종류의 코어와 전자석의 세기에 의해 반발력으로 이동할 수 있게 네오디뮴(자석)을 포함하는 발사체가 발사로를 따라 이동되는 발사대를 구성하여 발사체의 이동거리를 통하여 전자석의 세기를 쉽게 측정할 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 전자석 세기측정기를 제공하기 위한 것이다.

또한, 학습자들이 개념을 이해하는 데 어려움을 갖는 현행 교과서 내 실험 내용들을 분석하고 종합하여 새로운 실험 장치들을 개발하고 재구성하고자 한 것으로, 본 발명의 전자석 세기측정기는 전자석의 세기를 눈으로 바로 확인하고 수치화 할 수 있는 실험 장치이며, 전자석의 작은 세기변화도 감지해 낼 수 있는 실험장치의 개발로 실험결과의 편차를 줄여 한 시간의 수업동안 다양한 변인에 따른 전자석의 세기를 반복적으로 측정하여 올바른 과학적 귀납추론을 할 수 있도록 하였다.

본 발명의 전자석 세기측정기로 전자석의 세기 측정, 전자석 자기장의 관찰을 위한 종합적인 교구를 제공하고자 하였고, 대부분의 자석이나 전자석 관련 실험의 경우 (전)자석과 금속 또는 자석과 자석 사이의 인력을 다루고 있으나, 본 발명에서는 전자석과 자석사이에 작용하는 척력을 이용하여 전자석의 세기를 측정함으로써 두 물체 간의 척력에도 관심을 가지게 하고 실제로 이러한 척력을 이용한 생활용품도 많다는 것을 알게 하고자 하였다.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 전자석 세기측정기를 사용함으로서, 자석의 세기를 바로 확인하여 수치화할 수 있다. 이 실험 장치를 수업에 활용해 본 결과 학생들의 흥미도가 상당히 높았으며 학생들이 전자석의 세기에 영향을 줄 것이라고 생각하는 변인을 바로 변화시키면서 실험을 할 수 있어 학생들의 학습 욕구를 충족시켜 주며 반복 실험을 통한 데이터를 직접 통계를 내 봄으로써 전자석의 세기에 영향을 주는 여러 변인들과 전자석의 세기 사이의 관계를 보다 확실하게 학습하게 되는 효과가 있었다.

도 1은 솔레노이드에 전류를 흘리면 그 주변에 자기장이 유도되는 형상도
도 2는 전자석 세기의 측정을 클립이나 시침핀을 이용한 예시도
도 3은 본 발명의 전자석 세기측정기를 나타낸 사시도
도 4는 본 발명의 전자석 세기측정기의 전체구성을 나타낸 평면도
도 5는 본 발명의 전자석 세기측정기를 이용하여 전자석 세기의 예시도
도 6은 본 발명의 전자석 세기측정기를 전자석 세기 측정 그래프

본 발명의 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안 된다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 통해서 본 발명을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 전자석 세기측정기를 나타낸 사시도로써, 본 발명은 교육을 위한 전자석 세기측정기(100)이며, 전류가 흐르는 전선 주위에 자기장이 발생하는 전자석의 원리를 이용한 것으로, 전류가 흐를 때 전류에 의한 전자석의 세기를 눈으로 확인 할 수 있도록, 코어(33) 외부에 에나멜코일(32)을 감은 솔레노이드 전자석(30)과,

발생되는 전자석의 세기에 의해 반발력(척력)으로 이동할 수 있게 네오디뮴 자석(42)을 포함하는 발사체(40)가 발사로(12)를 따라 이동되어지는 발사대(10)를 구성하여, 발사체(40)의 이동거리를 통하여 전자석의 세기를 쉽게 측정할 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 전자석 세기측정기에 관한 것이다.

상기 솔레노이드 전자석(30)은 에나멜코일(32)을 촘촘하게 환봉(31)의 외주면을 원통형으로 말아 만든 솔레노이드에 전기를 흘려 자기장을 만들 수 있어 전자석으로 주로 이용되며, 솔레노이드 단독으로도 자기장을 만들지만 형성된 자기장을 보다 강하게 하기 위해 에나멜 코일(32)의 중앙에 철과 같은 강자성을 띄는 물질로 만든 자기 코어(33)를 넣으면 자화가 일어나면서 자기장이 더 강해지는 효과가 일어나며, 솔레노이드에 전류를 흘리면 그 주변에 자기장이 형성된다.

그리고, 전류가 흐르기 전에 코어(33)들은 특정한 방향이 없이 무작위로 배열되어 있기 때문에 결과적으로 자성을 띄지 않는 상태가 된다. 하지만 에나멜 코일(32)에 전류가 흐르고 자기력선이 형성되면 자기 코어(33)는 자기력선을 따라 배열되고 영구자석과 같은 자력선을 나타내게 된다. 이 때문에 에나멜 코일(32)이 만드는 자기력선과 자기 코어의 자기력선이 더해져 보다 강력한 자기장을 만들게 된다.

상기 사용된 코어(33)는 철, 알루미늄, 유리, 흑연 등으로 사용할 수 있다.

상기 발사체(40)는 일정 길이만큼 원통형의 발사봉(41)으로 내부에 네오디뮴 자석(42)을 넣어 전자석의 세기에 의해 반발력(척력)으로 이동할 수 있게 경계 판(20)과 가까운 발사봉(31)에 포함되게 구성하여,

상기 솔레노이드 전자석(30)에서 발생되는 전자석 세기에 의해 테프론 테이프(13)로 덮여진 발사로(12)를 따라 이동한다. 이 이동거리를 측정함으로써 전자석의 세기를 빠르고 정확하게 알 수 있도록 하였다.

상기 발사대(10)는 직사각막대형으로 중간부분에 U형의 전자석 거치로(11)와 발사로(12)를 구성하고, 그 사이에 경계 판(20)을 두어 구분되게 하였으며, 상기 전자석 거치로(11) 위에 솔레노이드 전자석(30)을 거치시키고, 상기 발사로(12) 위에 마찰계수가 작은 테프론 테이프(13)로 덮여지게 하고, 그 위에 발사체(40)를 둘 수 있도록 구성하게 하였다.

도 4는 본 발명의 전자석 세기측정기의 전체구성을 나타낸 평면도를 나타낸 것으로, 본 발명의 전자석 세기측정기(100)의 전체구성은 발사대(10), 경계판(20), 솔레노이드 전자석(30), 발사체(40), 스위치(50), 건전지(60)로 구성되어지며,

상기 도 3에서 설명 드린바와 같이, 상기 발사대(10)의 전자석 거치로(11) 위에 솔레노이드 전자석(30)을 거치시키고, 상기 발사대(10)의 테프론 테이프(13)로 덮여진 발사로(12) 위에 발사체(40)를 경계 판(20)에 밀착시켜 장착한다.

이때는 건전지(60)와 연결된 스위치(50)를 전선집게(53)에 의해 전선(54)을 연결하고, 반대편 전선(54)은 솔레노이드 전자석(30)에 감겨있는 에나멜 코일(32)의 양 끝단부를 전선집게(53)에 의해 연결되게 하며, 상기 스위치(50)의 접지부(51)와 접전부(52)가 분리되어져 전기가 통하지 않은 상태에서,

상기 스위치(50)의 접지부(51)를 눌려 접전부(52)와 연결되어져 전기가 통하게 되면

솔레노이드 전자석(30)에 자기장이 형성되는데 솔레노이드 내부에 투자율이 높은 코어(33)를 넣을수록 솔레노이드 내부의 자속밀도가 높아져 전자석의 세기는 세어진다. 이렇게 솔레노이드에 자기장이 형성되면 발사체(40)에 포함된 네오디뮴 자석(42)과의 척력에 의해 발사체(40)가 발사로(12) 위에서 이동하게 되어 지며, 이때, 이동된 거리를 발사대(10)에 설치된 눈금자(14)에 의해 확인함으로써, 전자석의 세기를 발사체(40)의 이동거리로 측정할 수 있는 학습부교재를 제공하고자 하였다.

도 5는 본 발명의 전자석 세기측정기를 이용하여 전자석 세기의 예시도를 나타낸 것으로, 도 5-1)은 발사대(10)의 전자석 거치로(11) 위에 솔레노이드 전자석(30)을 거치시키고, 테프론 테이프(13)로 덮여있는 발사로(12) 위에 발사체(40)를 경계 판(20)에 밀착시켜 놓은 상태로, 전자석 세기측정기(100)를 이용하여 전자석 세기를 측정하기위해 준비된 상태를 나타내며,

도 5-2)은 발사대(10)의 전자석 거치로(11) 위에 솔레노이드 전자석(30)을 거치시키고, 상기 솔레노이드 전자석(30)에 건전지가(60) 연결된 스위치(50)를 닫으면 솔레노이드에 전류가 흐르면서 솔레노이드 내부와 주위에 자기장이 형성된다. 이때, 전자석의 세기에 의해 반발력(척력)으로 테프론 테이프(13)로 덮여있는 발사로(12) 위에 발사체(40)가 경계 판(20)에 멀어지게 놓여진 상태로, 경계판(20)을 시작점으로 하여 발사체(40)의 이동거리를 통하여 전자석의 세기를 쉽게 알아 측정하고, 이를 통해 쉽게 학습할 수 있게 하였다.

전자석의 세기가 세어질수록 네오디뮴 자석(42)이 포함된 발사체(40)의 사이에서 작용하는 척력이 세어지므로, 경계판(20)을 시작점으로 하여 발사체(40)가 밀려나가는 이동거리가 멀어진다. 이 길이로 전자석의 세기를 시각적으로 쉽게 측정하여 학습부교재로 사용 할 수 있게 구성하였다.

이를 통해, 알 수 있는 것은, 전자석의 세기를 빠르고 보다 정확하게 측정할 수 있으며, 여러 번 실험하여 평균값을 구함으로써 실험의 정확성을 높일 수 있다. 무엇보다 과학 탐구의 가장 기본이 되는 과학적 귀납추론 과정을 반복실험을 통하여 경험할 수 있는 환경을 학생들에게 제공하여 줄 수 있다. 또한 자석은 물체를 당긴다는 편향된 사고에서 벗어나게 반발력(척력)으로도 물체를 움직일 수 있는 것을 학습하는 데에 도움이 된다.

도 6은 본 발명의 전자석 세기측정기를 전자석 세기 측정 그래프 나타낸 것으로, 상기 솔레노이드 전자석(30)에 에나멜코일(32)의 감은 수(n)를 100, 200, 300회로 하여 감은 수(n)에 따라, 발사체(40)가 거치대(20)를 출발점으로 하여 발사로(12)를 따라 이동한 거리를 측정한 것이며,

또한, 건전지(60)의 개수를 1~7로 하여, 건전지(60)의 수에 따라, 발사체(40)가 거치대(20)를 출발점으로 하여 발사로(12)를 따라 이동한 거리를 측정한 것으로, 전자석의 세기가 측정한 것이다(표 1).

그 결과, 에나멜선을 감은 횟수가 많을수록 그리고 회로에 흐르는 전류의 세기가 셀수록 전자석의 세기가 더 세어진다는 것을 확인할 수 있다. 전류의 세기(전지의 개수)와 전자석의 세기가 완전히 선형적인 관계를 보이지는 않는다. 이는 회로의 스위치를 닫는 순간 전류가 흐를 때 자기장의 변화를 방해하는 방향으로 전류가 흐르면서 기전력에 의한 전류의 흐름을 방해하는 현상이 생기기 때문이다.

비록 전자석의 세기는 전자석에 연결하는 전지의 개수와 선형적인 관계를 보이지는 않지만 학생의 입장에서 전자석의 세기는 전지의 개수가 많을수록 세어진다는 경향성을 파악하기에는 충분하며, 또한 같은 조건하에서 반복하여 실험한 결과 실험결과의 편차가 크게 나타나지 않아서, 일반적인 측정방법인 전자석에 붙는 클립이나 시침핀의 개수로 전자석의 세기를 알아보는 것보다는 정확한 측정인 것으로 판단된다.

코일 감은 횟수와 건전지 수의 증가에 따라 전자석 세기의 측정(단위 : mm)

전지의개수 에나멜선감은수	1개	2개	3개	4개	5개	6개	7개
n=100	77	130	160	180	220	230	240
n=200	120	200	240	260	275	280	285
n=300	130	215	265	300	315	330	340

상기 표 1. 코일 감은 횟수와 건전지 수의 증가에 따라 전자석 세기의 측정을 비교한 실험 결과로서, 상기 에나멜 코일(32)의 감은 수가 많을수록 발사체가 더 큰 척력에 의해 발사체(40)가 거치대(20)를 출발점으로 하여 발사로(12)를 따라, 더 멀리 이동하게 되어지는 것을 알 수 있어, 이는 에나멜 코일(32)을 많이 감을수록 전자석의 세기가 세어지며, 건전지(60)의 개수가 많을수록 발사체가 더 큰 척력에 의해 발사체(40)가 거치대(20)를 출발점으로 하여 발사로(12)를 따라 더 멀리 이동하게 되어지는 것을 알 수 있어, 건전지를 많이 연결하여 전력의 증가시킬수록 전자석의 세기가 세어지는 것을 학습할 수 있었다.

100 : 전자석 세기 측정기
10 : 발사대 11 : 전자석 거치로
12 : 발사로 13 : 테프론 테이프
14 : 눈금자
20 : 경계 판
30 : 솔레노이드 전자석 31 : 환봉
32 : 에나멜코일 33 : 코어
40 : 발사체 41 : 발사 봉
42 : 네오디뮴 자석
50 : 스위치 51 : 접지부
52 : 접전부 53 : 전선 집게
54 : 전선
60 : 건전지

Claims (2)

1. 전류가 흐르는 전선 주위에 자기장이 발생하는 전자석의 원리를 교육을 위한 전자석 세기측정기(100)에 관한 것으로,
   직사각막대형으로 중간부분에 U형의 전자석 거치로(11)와 발사로(12)를 구성하고, 그 사이에 경계 판(20)을 두어 구분되게 하였으며,
   상기 발사로(12) 위에 테프론 테이프(13)로 덮여지게 하고, 발사로(12)를 따라 눈금자(14)가 구성되어 있는 발사대(10)와,
   환봉(31)의 내부에 코어(33)를 삽입하고, 환봉(31)의 외주면을 에나멜코일(32)을 원통형으로 감아 구성된 솔레노이드 전자석(30)과,
   일정 길이만큼 원통형의 발사봉(41)으로 내부에 네오디뮴 자석(42)을 넣어 고정시킨 발사체(40)와,
   접지부(51)의 누름을 통해 접전부(52)와 전원이 온(on)/오프(off) 되게 구성된 스위치(50),
   상기 스위치(50)와 상기 솔레노이드 전자석(30)에 감겨있는 에나멜 코일(32)의 양 끝단부를 전선 집게(53)를 가진 전선(54)으로 연결하여 전원을 공급하는 건전지(60)로 구성되어짐을 특징으로 하는 전자석 세기측정기
   
2. 제 1항에 의해 전자석 세기측정기(100)는, 발사대(10), 경계판(20), 솔레노이드 전자석(30), 발사체(40), 스위치(50), 건전지(60)로 구성되어지며,
   상기 발사대(10)의 전자석 거치로(11) 위에 솔레노이드 전자석(30)을 거치시키고, 상기 발사대(10)의 테프론 테이프(13)로 덮여진 발사로(12) 위에 발사체(40)를 경계 판(20)에 근접하게 장착하고,
   전원을 공급하는 건전지(60)와 연결된 스위치(50)를 전선집게(53)에 의해 전선(54)을 연결하고, 반대편 전선(54)은 솔레노이드 전자석(30)에 감겨있는 에나멜 코일(32)의 양 끝단부를 전선집게(53)에 의해 연결되게 하여,
   상기 접지부(51)의 누름을 통해 접전부(52)와 전원이 온(on)/오프(off) 되게 구성된 스위치(50)에 의해, 전기가 통하게 되면, 솔레노이드 전자석(30)에 전자력이 발생되어 자석화 되어져, 발사체(40)에 포함된 네오디뮴 자석(42)의 서로 척력에 의해 발사체(40)가 발사로(12) 위에서 이동하게 되어 지며,
   이때, 이동된 거리를 발사대(10)에 설치된 눈금자(14)에 의해 확인함으로서, 발사체(40)의 이동거리에 따라 전자석의 세기를 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 전자석 세기측정기 방법
   

Images