전자기 유도

둥글게 말아 둔 구리 도선(코일) 근처에 자석을 가만히 두면 아무런 반응도 일어나지 않아요. 하지만 자석을 코일 안으로 쑥 밀어 넣는 순간, 연결된 꼬마전구에 반짝하고 노란 불빛이 켜져요. 자석을 도로 밖으로 뺄 때도 전구는 다시 환하게 불을 밝혀요.

재미있는 점은 자석을 코일 한가운데에 가만히 멈춰 두면 전구가 곧바로 꺼진다는 사실이에요. 전기가 만들어지려면 자석이 단순히 코일 곁에 머무는 것만으로는 부족해요. 자기장의 변화가 계속해서 일어나야 비로소 도선 속에 전기가 흘러요.

이처럼 자석이나 코일이 움직여 주변 자기장이 바뀔 때 도선에 흐르는 전기를 '유도 전류'라고 불러요. 건전지의 화학 에너지를 쓰지 않고도 움직임의 에너지(기계적 에너지)를 전기에너지로 바꾸는 신기한 방법이에요.

자석을 더 빨리 움직이거나 더 센 자석을 쓰면 전구의 불빛은 훨씬 더 밝아져요. 자기장이 더 빠르게, 더 크게 변할수록 전자를 미는 힘(유도 기전력)이 커져 더 많은 전류가 흐르기 때문이에요.

그렇다면 유도 전류는 어느 방향으로 흐를까요? 자연에는 변화를 싫어하고 현재 상태를 유지하려는 듯한 성질이 있어요. 자석의 N극이 다가오면 코일은 이를 밀어내려고 자석이 다가오는 쪽 끝에 N극을 만들어 맞서요.

반대로 들어왔던 N극 자석을 밖으로 빼내려고 하면, 이번에는 가지 말라며 자석 쪽 끝에 S극을 만들어 자석을 끌어당겨요. 이처럼 자기선속의 변화를 방해하는 방향으로 유도 전류가 형성되는 원리를 '렌츠의 법칙'이라고 불러요.

우리가 자석을 밀어 넣으려면 코일이 밀어내는 반발력을 이겨내며 손에 힘을 주어야 해요. 자석을 뺄 때도 코일이 붙잡는 인력을 뿌리치며 힘껏 당겨야 하죠. 이때 우리가 손으로 들인 힘과 노력이 고스란히 전기에너지로 변신하는 거예요.

만약 자연이 변화를 반기며 자석을 저절로 끌어당겼다면, 우리는 손 하나 까딱 않고 무한한 전기를 얻었을 거예요. 하지만 자연은 거저 주는 법이 없어서, 일한 만큼만 정확하게 전기를 돌려줘요.

오늘날 도시를 밝히는 수력, 화력, 풍력, 원자력 발전소의 발전기도 모두 이 원리로 전기를 만들어요. 쏟아지는 물이나 거센 바람, 뜨거운 증기가 터빈을 돌리면, 터빈에 연결된 자석(큰 발전기에서는 주로 전자석)이 코일 속에서 쉼 없이 회전하며 대량의 전류를 뽑아내요.

조금 더 정확히 말하면, 물리학에서는 어떤 면적을 통과하는 자기장의 총량을 '자기선속'이라고 표현해요. 코일이 감싸는 면을 통과하는 자기선속의 시간에 따른 변화율이 클수록 더 높은 전압(유도 기전력)이 생기며, 이를 '패러데이의 전자기 유도 법칙'이라고 해요.

전자기 유도는 발전소뿐만 아니라 일상 속 수많은 기기에도 숨어 있어요. 패드 위에 올려두기만 해도 선 없이 충전되는 스마트폰 무선 충전이나 주방의 인덕션 레인지가 대표적인 예예요. 이 기기들에는 움직이는 자석 대신, 코일에 교류를 흘려 자기장의 방향과 세기를 계속 바꾸는 방식이 쓰여요. 버스나 지하철 단말기에 교통카드를 삑 찍을 때도 카드 속 코일에 순간적으로 유도 전류가 흘러 정보를 전달해요.

결국 19세기 과학자 마이클 패러데이가 발견한 이 작은 불꽃은 인류의 밤을 환하게 밝혔어요. 보이지 않는 자기장의 떨림이 오늘날 첨단 기술 사회의 모든 핏줄에 전기에너지를 끊임없이 공급하고 있는 셈이에요.