< 연구 결과요약서 >

< 연구 결과요약서 >

소속학 교 보 문 고등 책임 지도 교사 유O 승 공동 지도교 사 김O천 참여학 생 김O 준 , 이O 찬 , 금O 수 , 신O 섭 , 임O 균

과 제 명 띠 자석과 고리 원형 자석의 자성을 활용한 STEAM 자기장 열차 제작 연구

연구목표

띠 자석을 이용한 자기장 기차 완구에 관한 Idea 발상이다. 레일 역할을 하는 두 개의 고무 띠 자석과 기차의 역할을 하는 고리 원형자석 간의 상호작용을 설명하며, 모터 축에 고정한 원형 고리자석이 두 겹의 타원형 띠 자석 레일을 따라 움직이는 STEAM 과학 학습용 완구이다.

연구내용

□ 이론적 배경 및 선행연구 ○ ^{이론적 배경}

가. 자석

쇳조각을 끌어당기거나 전류에 작용을 미치는 성질을 자성이라 하는데, 이러한 자성을 지 닌 물체를 자석이라 한다. 자석을 둘로 절단해도 각각 자석으로서의 성질을 유지하며, 이것 을 다시 둘로 절단해도 각 단편이 계속해서 자성을 지닌다. 이와 같이 자석은 아무리 분할 해도 항상 자성이 나타난다.

나. 자석의 종류 1) 분말자석

밀집된 분말로 이루어진 자석을 만드는 문제는 근본적으로 입자가 하나의 단일구역을 포함 한 만큼 충분히 작지만 강자성을 완전히 잃을 만큼 그렇게 작지는 않게 그 크기를 조절하는 문제이다.그러한 자석의 장점은 원하는 모양으로 쉽게 주조되고 기계작업을 할 수 있는 것이 다.

2) 고(高)비등방성 합금

위에 기술한 물질들의 단축이등방성이 큰 이유는 형상에 좌우되기 때문이다. 단축 자기결정 비등방성이 큰 물질들에 대해서 많은 연구가 행해졌다. 이중에서 가장 성공적인 것은 코발트 -백금(CoPt)과 망간-비스무스(MnBi)합금이다.

3) 알니코 합금(alnico alloys)

강한 보자력은 구역벽이 운동을 할 수 없는 곳에서 얻어진다. 특히 한쪽 상이 다른 상의 기 질 속에 미세하게 나누어진 침전물일 경우에 더욱 그렇다. 철·니켈·알루미늄의 세 원소를 포 함하는 합금이 바로 그런 특성을 나타내며, 이 체계를 기본으로 하고 코발트·구리·티타늄 같 은 여러 원소를 첨가한 영구 자석물질을 알니코 합금이라고 한다.

4) 희토류원소-코발트 합금(race-earth-cobalt alloys)

많은 원소들의 고립된 원자는 유한한 자기 모멘트를 가진다 원자들이 그 원소의 고체형상을 이루도록 서로 모이면 대부분은 그들의 자성이 상쇄되고 그 고체는 강자성을 띠지 않는 식으 로 상호작용한다. 16℃ 이상의 온도에서는 강자성을 잃으며 실제적으로 중요하지 않게 된다.

희토류원소들 가운데 몇 개가 극저온에서 강자성특성을 보이며 그 대부분의 원소가 큰 원자 모멘트를 갖고 있다. 그런데 그들은 실제적인 가치가 별로 없다. ◯ 선행연구:

처음에 띠자석 두개를 일정하게 평행을 이룬 상태에 원형고리자석을 그 사이에 넣었더니 한쪽에 붙어서 아래로 눌러도 다시 원위치로 오는 것을 보고 이상하다고 생각을 하였다. 그 원인은 어떠한 과학의 원리가 숨어있나 찾아보기로 했다.

□ 연구 주제 선정

○ 작년 겨울방학 때 발명부실에서 전자유도 작용에 대한 학습을 하면서 종이컵에 마이크를 제작한 적 있었다. 이때 고무 띠 자석(높이 10mm, 두께 5mm, 길이 200mm) 두개를 수직으로 나란히 세운 상태(기차 레일처럼)에 원형 고리자석을 두개의 띠 자석 사이에 붙였더니 원형고리자석이 띠 자석의 한쪽 면에 붙어 아래로 내려가지 않고 떠 있는 모습을 보았다. 왜 그럴까하는 궁금함이 생겼다.

○ 이 원형 고리자석을 위에서 아래로 눌러 보았더니 내려갔다가 다시 떠오르는 것을 보고 여기에는

연구내용 □ 연구 방법

○ 자기장의 원리가 적용된 과학완구

○ 자기열차의 과학적 원리

아래 그림에서 적색은 S극, 청색은 N이라고 가정하고 설명을 한다.

가) 어떠한 관계이기에 아래 그림처럼 붙어있나?(수평을 이루는 원리)

그림에서 B, C자석의 위쪽이 N극이고, 아래쪽이 S극이다. A자석의 위쪽이 N극, 아래쪽이 S 극이 되도록 하여 레일 위에 올려놓으면 서로 같은 극끼리 미는 힘이 작용하게 되어 자석A 는 위로 떠오르게 되는데 이때 A자석의 아래쪽 절반은 B자석의 위쪽(N극)과 다른 극이므로 서로 당기는 힘에 의하여 붙어있게 된다. 자석 A의 무게 때문에 기울어질 수도 있지만 자석 C의 위쪽(N극)도 다른 극이므로 당기는 힘이 작용하여 수평을 이루게 된다.

나) 위의 그림에서 A를 누르면 왜 내려갔다가 다시 올라오나?

그림(가)처럼 A자석의 위쪽이 S극, 아래쪽이 N극이 되도록 하여 레일 위에 올려놓게 되 면 서로 다른 극끼리 당기는 힘이 작용하게 되어 자석A는 아래로 가라앉게 된다. 그러나 그 림(나)처럼 A자석의 위쪽이 N극, 아래쪽이 S극이 되도록 하여 레일 바닥에 놓게 되면 서로 같은 극끼리 미는 힘이 작용하게 되어 자석A는 위로 떠오르게 되는데 이때 A자석의 아래 쪽 절반은 B자석의 위쪽(N극)과 다른 극이므로 서로 당기는 힘에 의하여 붙어있게 된다. 자 석 A의 무게 때문에 기울어질 수도 있지만 자석C의 위쪽(N극)도 다른 극이므로 당기는 힘 이 작용하여 수평을 이루게 된다.

이런 원리로 원형 고리자석이 어느 한쪽의 띠자석에 붙어, 떠있는 모습을 갖게 된다.

라) 본 작품은 원형 고리자석을 모터 축에 고정하여 회전시키면 어느 한쪽의 띠자석에 붙은 채로 접촉 구름 운동이 발생하게 되고, 이때 기차는 띠자석으로 만든 레일 궤도를 따라 움 직이게 된다.

□ 연구 활동 및 과정

○ 활동과정

1) 일반 장난감 기차는 어떠한 레일 구조로 되었는가? 2) 본 작품은 일반 기차 완구와 다 르다. (띠 자석 한쪽에 붙어 움직인다.) 3) 원형 자석을 손으로 밀면 앞에 있는 원형 자석이 움직인다.

4) 레일의 간격 실험을 실험한다. 5) 기차 몸체(바디)의 크기를 실험한다.

○ 본 작품은 고무 띠 자석 두개를 수직으로 평행하게 기차 레일처럼 만든 상태에 원형자석 3개를 레일(띠 자석) 사이에 넣어 띠 자석 한 면에 붙어 수평으로 떠 있게 하고 원형 자석을 소형 모터로 회전시켜 구동력을 갖게 하여 띠 자석의 한쪽에 붙어 빠르게 움직이는 자기열차를 만들었다.

[그림1] 작품구상1

==> ==>

그림(가) 그림(나)

[그림2] 작품구상2

한쪽 띠 자석에 붙어 원형 자석이 수평으로 떠 있는 원리는 어떠한 과학적 원리가 숨어 있는 가? 궁금했고 이 원형 자석을 움직이면 일정 간격 앞에 있는 원형 자석이 움직인다. 이를 이용하 여 기차 바디를 만들고 모터로 한개의 원형자석을 회전시켜 움직이는 자기완구를 만들 수 있을 것 같아 본 작품을 생각하게 되었다.

연구성과 □ 연구 결과

○ 띠자석을 이용한 자기장 기차 완구에 관한 아이디어 발상이다. 레일의 역할을 하는 두 개의 고무 띠 자석은 아래 S극이고 위가 N극이며, 기차의 역할을 할 원형자석 역시 아래가 S극이고 위가 N극이다. 원형 자석의 S극은 고무 띠 자석의 N극에 붙어 떠 있고, 원형자석을 아래로 눌러도 원형 자석의 S극이 고무 띠 자석의 S극과 서로 밀어내어 원형 자석이 고무 띠 자석 에 떠있을 수 있다. 고무 띠 자석은 레일의 형태로 둥글게 제작하고, 원형 자석 밑 부분에는 소형 모터를 부착한 뒤, 윗부분에 건전지를 장착한 다음 외관을 기차 모형으로 꾸며 제작하였다.

모터 축에 고정한 원형 고리 자석이 두 겹의 타원형 띠 자석 레일을 따라 움직이는 과학 학습 용 완구이다.|두 개의 서로 크기가 다른 타원형 띠 자석, 모터, 원형 고리 자석으로 구성되어 있다. 띠 자석의 S극이 바닥을 향하고 작은 타원을 큰 타원이 감싸도록 위치시킨 뒤 고리자석 의 S축이 바닥이 향하도록 하여 두 띠 자석의 사이에 놓을 경우 자기장에 의하여 원형 고리 자석이 수평을 이루며 한 쪽의 띠 자석에 붙어 떠 있게 된다.

자기장의 원리를 이해할 수 있는 과학완구로, 기차의 형태를 다양하게 만들 수 있어 재미를 더 할 수 있다. 복잡한 과정이 필요치 않아 제작이 간편하고, 자석과 소형 모터등의 재료를 이 용하여 경제적이다.

○ 정상동작 (동작실험사진) 모음확인

복잡한 과정이 필요치 않아 제작이 간편하고, 자석과 소형 모터등의 재료를 이용하여 경제 적이다. 가) 타 교과의 융합 : 과학, 기술, 공학, 미술, 수학 나) 창의성 신장 : 설계 디자인 활용 수업 등 다) TRIZ 기법을 활용한 협동 수업 교육 1) 학생들이 말과 글을 통해 배우 는 것보다 눈에 보이는 완구를 통해 흥미 있고, 재미있게 이해 할 수 있다.2) 교육용 교재로 사용가능하며, 교육기관의 수요도 기대할 수 있다.3) 나아가 백화점에서 광고용으로도 쓸 수 있다.

□ 시사점

○ 자기장을 이용한 과학완구 놀이를 할 수 있다.

○ 자기장의 원리를 이해하고 여러 가지 모형으로 재미있는 완구를 구현할 수 있다.

○ 제작이 간편하고, 비용이 적게 들어 경제적이다.

◎ 완구용 기차는 바퀴가 두 개의 레일 위에 또는 레일 벽을 이용하여 움직이는 점.

◎ 자기부상 기차는 강한 자기장에 의해 레일 위에 떠 있는 점.

◎ 자기부상 기차는 여러 가지 어려운 조건으로 실험 교구로 사용함에 많은 비용이 발생됨.

□ 향후 계획

○ 추후에는 태양전지 의한 동작 예정

2018년

STEAM R&E 과제 연구결과 보고서

보문고등학교

1. 연구목적 2. 연구수행내용

3. 연구결과 및 시사점

4. 홍보 및 사후활동

5. 기대효과 및 활용

6. 참고문헌

< 연구 결과보고서 >

□ 연구목적

자석을 가지고 놀던 도중 자석끼리 붙어 한 자석이 또 다른 자석을 따라 움직이는 것을 보고 본 작품을 생각하게 되었고, 자석의 대해 흥미롭고, 재미있게 배우는 데에 목적이 있다. 원형 고리 자석이 띠 자석의 한쪽 면에 붙어 아래로 내려가지 않고 떠 있는 모습과 원형 고리 자석을 눌러도 다시 올라오는 모습을 보고 이를 거꾸로 제작하여 띠 자석에 붙어 움직이게 자기장 이동 물체를 구현할 수 있을까 하여 제작하고자 한다. 원형 고리자석과 띠 자석과의 상호작용을 설명하 며 이를 이용하여 일정 구간을 움직이는 과학완구를 제작하는데 있다. 자석의 자기장의 원리를 이용하여 아크릴판 위 아래에 레일을 일정 구간 만들고 아래 레일에 자기장 이동물체가 움직이면 위판 레일을 따라 자기장에 인형이 움직이는 과학완구제작이다

-

□ 연구범위

○○ 원형자석과 띠 자석의 자성을 활용한 자기장 기차완구

띠

자석을 이용한 자기장 기차 완구에 관한 아이디어 발상이다. 레일의 역할을 하는 두 개의 고무 띠 자석은 아래 S극이고 위가 N극이며, 기차의 역할을 할 원형자석 역시 아래가 S극이고 위가 N극이다. 원형 자석의 S극은 고무 띠 자석의 N극에 붙어 떠 있고, 원형자석을 아래로 눌 러도 원형 자석의 S극이 고무 띠 자석의 S극과 서로 밀어내어 원형 자석이 고무 띠 자석에 떠 있을 수 있다. 고무 띠 자석은 레일의 형태로 둥글게 제작하고, 원형 자석 밑 부분에는 소형 모터를 부착한 뒤, 윗부분에 건전지를 장착한 다음 외관을 기차 모형으로 꾸며 제작한다.

모터 축에 고정한 원형 고리 자석이 두 겹의 타원형 띠 자석 레일을 따라 움직이는 과학 학습 용 완구이다.|두 개의 서로 크기가 다른 타원형 띠 자석, 모터, 원형 고리 자석으로 구성되어 있다. 띠 자석의 S극이 바닥을 향하고 작은 타원을 큰 타원이 감싸도록 위치시킨 뒤 고리자석 의 S축이 바닥이 향하도록 하여 두 띠 자석의 사이에 놓을 경우 자기장에 의하여 원형 고리자 석이 수평을 이루며 한 쪽의 띠 자석에 붙어 떠 있게 된다.

자기장의 원리를 이해할 수 있는 과학완구로, 기차의 형태를 다양하게 만들 수 있어 재미를 더 할 수 있다. 복잡한 과정이 필요치 않아 제작이 간편하고, 자석과 소형 모터등의 재료를 이용 하여 경제적이다.

○○ 자석의 성질을 이용한 일정구간을 거꾸로 좌우로 움직이는 인형 장난감 (움직이는 광고)

자석

_의 성질을 이용하여 일정구간을 거꾸로 좌우로 움직이도록 한 인형 장난감에 관한 아이디어 발상이다. 포맥스판으로 만들어진 차체와 도넛 모양으로 만들어진 줄 자석 레일로 구성된 고안창의적 인 발명품은 줄 자석 두 개를 레일처럼 배치하고 원형자석을 사이에 넣어 줄 자석 한 면에 붙여 수평으로 떠 있도록 하고, 아래 레일에 원형 자석을 똑같이 놓고 소형 모터로 회전 시켜 구동력을 가지게 하면 줄 자석의 한 쪽에 붙어 빠르게 움직이게 된다. 상단에 고리자석을 놓으면 아래 자석을 따라서 같이 움직이게 되기 때문에 상단의 고리자석에 작은 차체를 만들어 그 위에 인형을 놓거나,

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그림이나 종이를 부착하면 아래 원형자석을 따라 자동으로 움직이게 하고 모터의 속도를 통해 자유롭 게 속도를 조절할 수 있다. 자석의 성질에 대해 놀이를 통하여 쉽게 인식할 수 있어 창의력 증진에 일익을 기여할 수 있는 프로그램이다. 또한 움직이는 물체를 다양하게 변경하고 크기를 키워 광고판등 으로 적용 확대할 수 있다.

2. 연구 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구

○ 이론적 배경

전자유도 작용에 대한 학습을 하면서 종이컵에 마이크를 제작한 적 있었다. 이때 고무 띠 자석(높이 10mm, 두께 5mm, 길이 200mm) 두개를 수직으로 나란히 세운 상태(기차 레일처럼)에 원형 고리자석 을 두개의 띠 자석 사이에 붙였더니 원형고리자석이 띠 자석의 한쪽 면에 붙어 아래로 내려가지 않고 떠 있는 모습을 보았다. 왜 그럴까하는 궁금함이 생겼다. 이 원형 고리자석을 위에서 아래로 눌러 보았더니 내려갔다가 다시 떠오르는 것을 보고 여기에는 어떠한 과학적 원리가 숨어 있을까하는 의문점이 생기게 되었다. 이 떠 있는 원형 고리자석을 같은 방법으로 한개 더 띠 자석에 붙였더니 원형 자석은 서로 붙지 않고 일정한 간격을 유지하면서 서로 미는 작용을 하는 것을 알 수 있었다.

이런 과학적인 원리를 이용하여 레일에 붙어 움직이는 자기완구를 제작하게 되었다.

■ 1)자석

쇳조각을 끌어당기거나 전류에 작용을 미치는 성질을 자성이라 하는데, 이러한 자성을 지닌 물체를 자석이라 한다.

자석을 둘로 절단해도 각각 자석으로서의 성질을 유지하며, 이것을 다시 둘로 절단해도 각 단편이 계속해서 자성을 지닌다. 이와 같이 자석은 아무리 분할해도 항상 자성이 나타난다.

2)생활 속의 자석

나사를 조이는 드라이버의 끝에는 자석이 달려 있고, 나사가 드라이버 끝에 잘 고정되도록 도와준다. 비슷한 원리로 폐차장에서 자동차를 들어 올리는 크레인의 끝에도 강력한 자석이 부착되어 있다. 또한 냉장고 문의 안쪽 테두리에도 자석이 달려 있어, 냉장고 문이 몸체 가까 이 가면 저절로 닫히게 된다.

자석의 성질을 이용하여 인형을 움직이게 하여 아이들이 가지고 노는 장난감이다.

초등학교 과학시간 자기력선 실험

가. 자석

쇳조각을 끌어당기거나 전류에 작용을 미치는 성질을 자성이라 하는데, 이러한 자성을 지닌 물체를 자석이라 한다. 자석을 둘로 절단해도 각각 자석으로서의 성질을 유지하며, 이것을 다시 둘로 절단해도 각 단편이 계속해서 자성을 지닌다. 이와 같이 자석은 아무리 분할해도 항상 자성이 나타난다.

나. 자석의 종류 1) 분말자석

밀집된 분말로 이루어진 자석을 만드는 문제는 근본적으로 입자가 하나의 단일구역을 포함 한 만큼 충분히 작지만 강자성을 완전히 잃을 만큼 그렇게 작지는 않게 그 크기를 조절하는 문제이다.그러한 자석의 장점은 원하는 모양으로 쉽게 주조되고 기계작업을 할 수 있는 것이 다.

2) 고(高)비등방성 합금

위에 기술한 물질들의 단축이등방성이 큰 이유는 형상에 좌우되기 때문이다. 단축 자기결정 비등방성이 큰 물질들에 대해서 많은 연구가 행해졌다. 이중에서 가장 성공적인 것은 코발트 -백금(CoPt)과 망간-비스무스(MnBi)합금이다.

3) 알니코 합금(alnico alloys)

강한 보자력은 구역벽이 운동을 할 수 없는 곳에서 얻어진다. 특히 한쪽 상이 다른 상의 기질 속에 미세하게 나누어진 침전물일 경우에 더욱 그렇다. 철·니켈·알루미늄의 세 원소를 포함하 는 합금이 바로 그런 특성을 나타내며, 이 체계를 기본으로 하고 코발트·구리·티타늄 같은 여 러 원소를 첨가한 영구 자석물질을 알니코 합금이라고 한다.

4) 희토류원소-코발트 합금(race-earth-cobalt alloys)

많은 원소들의 고립된 원자는 유한한 자기 모멘트를 가진다 원자들이 그 원소의 고체형상을

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이루도록 서로 모이면 대부분은 그들의 자성이 상쇄되고 그 고체는 강자성을 띠지 않는 식으 로 상호작용한다. 16℃ 이상의 온도에서는 강자성을 잃으며 실제적으로 중요하지 않게 된다.

희토류원소들 가운데 몇 개가 극저온에서 강자성특성을 보이며 그 대부분의 원소가 큰 원자 모멘트를 갖고 있다. 그런데 그들은 실제적인 가치가 별로 없다.

◯ 선행연구:

처음에 띠자석 두개를 일정하게 평행을 이룬 상태에 원형고리자석을 그 사이에 넣었더니 한쪽에 붙어서 아래로 눌러도 다시 원위치로 오는 것을 보고 이상하다고 생각을 하였다. 그 원인은 어떠한 과학의 원리가 숨어있나 찾아보기로 했다.

□ 연구주제의 선정

○ 작년 겨울방학 때 발명부실에서 전자유도 작용에 대한 학습을 하면서 종이컵에 마이크를 제작한 적 있었다. 이때 고무 띠 자석(높이 10mm, 두께 5mm, 길이 200mm) 두개를 수직으로 나란히 세운 상태(기차 레일처럼)에 원형 고리자석을 두개의 띠 자석 사이에 붙였더니 원형고리자석이 띠 자석의 한쪽 면에 붙어 아래로 내려가지 않고 떠 있는 모습을 보았다. 왜 그럴까하는 궁금함이 생겼다.

○ 이 원형 고리자석을 위에서 아래로 눌러 보았더니 내려갔다가 다시 떠오르는 것을 보고 여기에는 어떠한 과학적 원리가 숨어 있을까하는 의문점이 생기게 되었다. 이 떠 있는 원형 고리자석을 같은 방법으로 한개 더 띠 자석에 붙였더니 원형 자석은 서로 붙지 않고 일정한 간격을 유지하면서 서로 미는 작용을 하는 것을 알 수 있었다. 따라서 본 작품은 이런 과학적인 원리를 이용하여 레일에 붙어 움직이는 자기장 열차를 제작하게 되었다.

○ 줄 자석 두개를 수직으로 평행하게 기차 레일처럼 만든 상태에 원형 자석을 사이에 넣어 줄 자석 한 면에 붙어 수평으로 떠 있게 하고, 그리고 아래 레일에 원형 자석을 똑같이 놓고 소형 모터로 회전시켜 구동력을 갖게 하면 줄 자석의 한쪽에 붙어 빠르게 움직인다. 그리고 그 위에 고리자석을 놓아 고리자석이 아래자석을 따라서 같이 움직이게 된다.

자석의 성질을 이용하여 과학완구를 만들어볼까?

자석의 성질을 이용하여 과학완구를 만들어볼까?

○ 초등학교 3학년 과학 교과에서의 지식 초등학교 3학년 과학 교과에서의 지식

■

자석의 성질

◎ 극의 종류: 하나의 자석에는 항상 두 개 의 극이 있음 N극은 북쪽, S극은 남쪽 -같은 극끼리는 밀어냄, 다른 극끼리는 잡아당김

◎ 자화 :철로 만들어진 물체를 자석으로 문지르면 자석의 성질을 띠게 되는 현상 예)못에 S극을 문지르면 N극을 띠고, N극을 문지르면 S극을 띤다.

◎ 생활에 자석을 이용하는 예

-자석필통, 자석칠판, 바둑판, 자석 집게, 바둑판, 신용카드, 비디오테이프 등

○ 고등학교에서 배우는 지식 고등학교에서 배우는 지식

■ 전자기 유도 현상이란?

전지를 연결하지 않은 회로가 있다. 이 회로에 검류계를 연결해보면 당연히 검류계의 바늘은 0을 가리킬 것이다. 그런데 회로 근처에 자석을 가까이 가져가면 검류계의 바늘이 한쪽 방향으 로 기울게 된다. 자석을 멈추면 검류계의 바늘이 0으로 돌아간다. 이제 자석을 뒤로 빼면 바늘 이 반대 방향으로 기운다. 전지도 연결하지 않은 회로에 자석을 가까이 가져갔다 뒤로 뺐다 하 는 것만 으로 전류가 흐르는 것이다. 이와 같이 자기장과의 상호작용에 의해 회로에 전류가 생 겨나는 현상을 ‘전자기 유도’라고 한다. 이 현상을 이용해 발전기가 발명되었다.

■

-전자기유도현상

○

솔레노이드(코일)에 자석을 멀게 하거나 가깝게 하면 솔레노이드 주변에 자기장에 변화에 생겨 자석의 운동을 방해하는 방향으로 전류가 흐르게 되고 이를 유도 전류 라고 한다.

사용: 마그네틱 카드 리더기, 기계식 가속도 센서, 자동차의 에어백, 이어폰, 스피커, 발전기

□ 연구 방법

○ 자기장의 원리가 적용된 과학완구

○ 자기장 열차의 과학적 원리

아래 그림에서 적색은 S극, 청색은 N이라고 가정하고 설명을 한다.

가) 어떠한 관계이기에 아래 그림처럼 붙어있나?(수평을 이루는 원리)

그림에서 B, C자석의 위쪽이 N극이고, 아래쪽이 S극이다. A자석의 위쪽이 N극, 아래쪽이 S 극이 되도록 하여 레일 위에 올려놓으면 서로 같은 극끼리 미는 힘이 작용하게 되어 자석A 는 위로 떠오르게 되는데 이때 A자석의 아래쪽 절반은 B자석의 위쪽(N극)과 다른 극이므로 서로 당기는 힘에 의하여 붙어있게 된다. 자석 A의 무게 때문에 기울어질 수도 있지만 자석 C의 위쪽(N극)도 다른 극이므로 당기는 힘이 작용하여 수평을 이루게 된다.

나) 위의 그림에서 A를 누르면 왜 내려갔다가 다시 올라오나?

그림(가)처럼 A자석의 위쪽이 S극, 아래쪽이 N극이 되도록 하여 레일 위에 올려놓게 되면 서로 다른 극끼리 당기는 힘이 작용하게 되어 자석A는 아래로 가라앉게 된다. 그러나 그림 (나)처럼 A자석의 위쪽이 N극, 아래쪽이 S극이 되도록 하여 레일 바닥에 놓게 되면 서로 같 은 극끼리 미는 힘이 작용하게 되어 자석A는 위로 떠오르게 되는데 이때 A자석의 아래쪽 절반은 B자석의 위쪽(N극)과 다른 극이므로 서로 당기는 힘에 의하여 붙어있게 된다. 자석 A의 무게 때문에 기울어질 수도 있지만 자석C의 위쪽(N극)도 다른 극이므로 당기는 힘이

- 6 - 작용하여 수평을 이루게 된다.

이런 원리로 원형 고리자석이 어느 한쪽의 띠자석에 붙어, 떠있는 모습을 갖게 된다.

라) 본 작품은 원형 고리자석을 모터 축에 고정하여 회전시키면 어느 한쪽의 띠자석에 붙은 채로 접촉 구름 운동이 발생하게 되고, 이때 기차는 띠자석으로 만든 레일 궤도를 따라 움직 이게 된다.

□ 연구 활동 및 과정

○ 연구활동 계획

주요활동 추진일정

4 5 6 7 8 9 10 11 비고

1 STEAM 개요 와 R&E STEAM

2 창의적 발상 사고(창의적 발상

과 사고의 전환)

″

3 자기장의 원리(전동기 제작)

S

4 자기장 레일, 몸체 설계(레일간

겯 및 몸체의 제작)

S,T

5 태양광전지(태양광전지 동작원

리)

E

6 열차제작(설계 및 제작)

T

7 고리자석을 이용한 자기장 열차 제작(열차의 차체

창의적으로 제작)

A,T

8 속력측정

M

9

피드백 및 세미나 개최

^STEAM

10

동료 컨설팅 및 자료 보강 ″

○ 연구활동과정 가. 1차 제작 실험

==> ==>

그림(가) 그림(나)

1) 일반 장난감 기차는 어떠한 레일 구조로 되었는가?

[사진1] 일반완구 사진캡처 자료출처 : http://shopping.daum.net 2) 본 작품은 일반 기차 완구와 다르다.(띠 자석 한쪽에 붙어 움직인다.) 3) 원형 자석을 손으로 밀면 앞에 있는 원형 자석이 움직인다.

[사진2] 원형자석 실험 4) 레일의 간격 실험을 실험한다.

[사진3] 레일 간격 실험 5) 기차 몸체(바디)의 크기를 실험한다.

[사진4] 기차바디 길이 실험

가) 도면으로 연출

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[그림1] 실제 제작할 도면

트랙(레일) [그림2] 위와 옆에서 본 모습

나. 2차 제작실험

1) 1차 제작 실험에서 문제점을 찾아 2차 제작에 들어간다.

2) 아크릴과 고리자석을 이용하여 기차를 제작해 본다.

3) 제작 예상도

[그림3] 정면도 및 차체 제작 4) 제작실험 과정

가) 제작에 필요한 부품 준비한다.

소형 DC모터 3V용, 건전지AAA 2개, 건전지홀더 1개, 스위치, 원형고리 자석 3개, 소형 볼트 너트, 기차바디(1mm 아크릴), 띠 자석

나) 기차의 무게를 가능한 가볍게 해야 한다.

부품 무게(g) 부품 무게(g)

모터 20 기차바디 6

건전지 22 볼트 4

원형자석 1개당 11 너트 0.4

건전지홀더 4 원형자석 중앙아크릴 0.6

다) A형, B형 기차 무게를 전자저울로 측정해 본다.

[

A형 97.45g B형 98.06g

○ 활동과정

1) 일반 장난감 기차는 어떠한 레일 구조로 되었는가? 2) 본 작품은 일반 기차 완구와 다르 다. (띠 자석 한쪽에 붙어 움직인다.) 3) 원형 자석을 손으로 밀면 앞에 있는 원형 자석이 움직인다. 4) 레일의 간격 실험을 실험한다. 5) 기차 몸체(바디)의 크기를 실험한다.

○ 본 작품은 고무 띠 자석 두개를 수직으로 평행하게 기차 레일처럼 만든 상태에 원형자석 3개를 레일(띠 자석) 사이에 넣어 띠 자석 한 면에 붙어 수평으로 떠 있게 하고 원형 자석을 소형 모터로 회전시켜 구동력을 갖게 하여 띠 자석의 한쪽에 붙어 빠르게 움직이는 자기열차를 만들었다.

[그림1] 작품구상1

한쪽 띠 자석에 붙어 원형 자석이 수평으로 떠 있는 원리는 어떠한 과학적 원리가 숨어 있는가?

궁금했고 이 원형 자석을 움직이면 일정 간격 앞에 있는 원형 자석이 움직인다. 이를 이용하여 기 차 바디를 만들고 모터로 한개의 원형자석을 회전시켜 움직이는 자기완구를 만들 수 있을 것 같아 본 작품을 생각하게 되었다.

[그림2] 작품구상2

3. 연구 결과 및 시사점

□ 연구 결과

본 주제는 초, 중, 고 과학교과서에 전기전자 및 자기장에 관련된 단원의 학습에 창의력증진

프로그램 교수학습에 적용할 수 있으며, 모터의 원리 및 자석에 관련된 학습을 흥미 있게 할 수 있다. 또 한 체험행사로 과학의 달 이나 다양한 학교 행사 과학동아리 축제등에 적합한 프로그램으로 학생과 시민 을 상대로 확대하여 과학적 창의적 증진 사고의 전환 과학적 마인드를 갖게 할 수 있다. 가. 자석의 원 리를 이해할 수 있다. 1) 띠 자석 레일 위에서 원형자석이 어떻게 떠 있을 수 있는지 알 수 있다. 2) 수업의 적용사례: 자기장 원리를 이용한 응용 발명품을 구상할 수 있다. 창의적 몸체를 설계하여 만든 다. 마찰을 최소로 줄여 낮은 전원에 동작하게 한다. 외형 설계, 발전기의 원리 속도계산 및 측정한다.

○ 띠자석을 이용한 자기장 기차 완구에 관한 아이디어 발상이다. 레일의 역할을 하는 두 개의 고무 띠 자석은 아래 S극이고 위가 N극이며, 기차의 역할을 할 원형자석 역시 아래가 S극이고 위가 N극이다. 원형 자석의 S극은 고무 띠 자석의 N극에 붙어 떠 있고, 원형자석을 아래로 눌러도 원형 자석의 S극이 고무 띠 자석의 S극과 서로 밀어내어 원형 자석이 고무 띠 자석 에 떠있을 수 있다. 고무 띠 자석은 레일의 형태로 둥글게 제작하고, 원형 자석 밑 부분에는 소형 모터를 부착한 뒤, 윗부분에 건전지를 장착한 다음 외관을 기차 모형으로 꾸며 제작하였다.

모터 축에 고정한 원형 고리 자석이 두 겹의 타원형 띠 자석 레일을 따라 움직이는 과학 학습 용 완구이다.|두 개의 서로 크기가 다른 타원형 띠 자석, 모터, 원형 고리 자석으로 구성되어 있다. 띠 자석의 S극이 바닥을 향하고 작은 타원을 큰 타원이 감싸도록 위치시킨 뒤 고리자석 의 S축이 바닥이 향하도록 하여 두 띠 자석의 사이에 놓을 경우 자기장에 의하여 원형 고리자 석이 수평을 이루며 한 쪽의 띠 자석에 붙어 떠 있게 된다.

자기장의 원리를 이해할 수 있는 과학완구로, 기차의 형태를 다양하게 만들 수 있어 재미를 더 할 수 있다. 복잡한 과정이 필요치 않아 제작이 간편하고, 자석과 소형 모터등의 재료를 이용 하여 경제적이다.

○ 정상동작 (동작실험사진) 모음확인

복잡한 과정이 필요치 않아 제작이 간편하고, 자석과 소형 모터등의 재료를 이용하여 경제적이다. 가) 타 교과의 융합 : 과학, 기술, 공학, 미술, 수학 나) 창의성 신장 : 설계 디자인 활용 수업 등 다) TRIZ 기법을 활용한 협동 수업 교육 1) 학생들이 말과 글을 통해 배우는 것보다 눈에 보이는 완구를 통해 흥미 있고, 재미있게 이해 할 수 있다.2) 교육용 교재로 사용가능하며, 교육기관의 수요도 기대할 수 있다.3) 나아가 백화점에서 광고용으로도 쓸 수 있다.

□ 시사점

○ 연구활동을 통해 얻은 학습 효과, 개선점 1) 자기장을 이용한 과학완구 놀이를 할 수 있다.

2) 자기장의 원리를 이해하고 여러 가지 모형으로 재미있는 완구를 구현할 수 있다.

3) 자기부상 기차는 여러 가지 어려운 조건으로 실험 교구로 사용함에 많은 비용이 발생되지만.

본 연구활동을 통해 자기장 열차는 제작이 간편하고, 비용이 적게 들어 경제적이다.

◎ 완구용 기차는 바퀴가 두 개의 레일 위에 또는 레일 벽을 이용하여 움직이는 점.

◎ 자기부상 기차는 강한 자기장에 의해 레일 위에 떠 있는 점.

◎ 자기부상 기차는 여러 가지 어려운 조건으로 실험 교구로 사용함에 많은 비용이 발생됨.

4. 홍보 및 사후 활용

□ 기대효과

○ 자기장을 이용한 움직이는 캐릭터를 만들어 과학완구 놀이를 할 수 있다.

일정구간을 움직이는 물체에 백화점 등에서 세일 광고를 할 수 있다.

인형 등 여러 종류의 모양을 제작하여 일정구간 회전시킬 수 있어 상품 전시효과도 있다.

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○ 학생들이 말과 글을 통해 배우는 것보다 눈에 보이는 완구를 통해 흥미 있고, 재미있게 이해 할 수 있다.

○ 교육용 교재로 사용가능하며, 교육기관과 학부모의 수요도 기대할 수 있다.

나아가 백화점에서 광고용으로도 쓸 수 있다.

○ 아이디어 창출에 관한 도전정신이 생김.

․각자 Maker가 될 수 있다는 자신감. 학생들의 창의력, 문제해결력, 협동심을 키움.

□ 사후 활용 계획

○ 체험행사로 과학의 달 이나 다양한 학교 행사 과학동아리 축제등에 저합한 프로그램으로 학생과 시민을 상대로 확대하여 과학적 창의적 증진 사고의 전환 과학적 마인드를 갖게 할 수 있다.

○ 과학교재로 사용할 수 있어 탐구체험 활동으로 유용하리라 사료된다.

○ 광고용이나 기타 상품 전시효과에도 일익을 담당할 수 있다.

○ 초․중․고 연계하여 학교 현장 과학체험활동에 파급효과가 크리라 예상됨.

5. 참고문헌

김효중(2012). ″희토류 자원분쟁과 NdFeB계 이방성 본드자성 개발동향: J, Kor, Mag, Soc., 22(3) pp.109-115.

김희중, 1996, 자성 재료학, 반도출판사

특허청 검색사이트(http://www.kipo.go.kr/)

한국발명진흥회 학생발명검색(http://www.kipa.org/)