강한 네오디뮴 자석을 구리관 속에 떨어뜨리면 신기한 일이 벌어집니다. 구리는 자석에 붙지 않는 금속인데도, 자석은 마치 꿀 속을 지나듯 천천히 내려옵니다. 눈에 보이지 않는 무언가가 자석을 붙잡는 셈입니다. 그 정체가 바로 ‘와전류(Eddy Current)’입니다.

와전류란 쉽게 말해 ‘변하는 자기장 때문에 금속 같은 도체 안에 소용돌이 모양으로 생기는 전류’를 의미합니다. 물이 바위를 돌아 흐를 때 생기는 소용돌이에 빗대어 맴돌이 전류라고도 부르며, 이 현상을 깊이 연구한 프랑스 물리학자의 이름을 따 푸코 전류라고도 합니다.

본 자료에서는 와전류가 생기는 원리부터 변압기 속의 골칫거리, 그리고 브레이크와 인덕션, 금속 검사에 쓰이는 쓸모까지 차례로 살펴보겠습니다.

금속 속 전기 소용돌이, 와전류의 원리와 쓰임

와전류란 무엇인가?

도체 주변의 자기장이 변하면 도체 안에 전기를 밀어내는 힘인 유도 기전력이 생깁니다. 1831년 마이클 패러데이가 밝힌 전자기 유도입니다. 전선이라면 전류가 정해진 길을 따라 흐르겠지만, 넓은 금속판이나 덩어리 안에서는 전류가 갈 곳을 따로 정하지 않고 작은 고리를 그리며 빙글빙글 맴돕니다. 이렇게 금속 안에서 맴도는 전류가 와전류입니다.

와전류는 자석이 금속 옆에서 움직일 때, 금속이 자기장 속을 지나갈 때, 또는 교류 전기처럼 자기장의 세기가 계속 바뀔 때 생깁니다. 자기장이 강할수록, 그 변화가 빠를수록, 금속이 전기를 잘 통할수록 더 세게 흐릅니다.

이해를 돕기 위해 고요한 연못에 막대를 넣고 휘젓는 장면을 떠올려 보겠습니다. 막대가 지나간 자리마다 물이 작은 소용돌이를 그리며 돌고, 막대는 물의 저항을 느낍니다. 금속 속의 전자도 변하는 자기장이라는 막대에 휘저어져 소용돌이를 이루고, 그 소용돌이가 다시 자석의 움직임을 붙잡습니다.

역사적으로는 1824년 프랑스의 프랑수아 아라고가 회전하는 구리판 근처에서 나침반 바늘이 끌려가는 현상을 처음 관찰했습니다. 이어 1855년 레옹 푸코가 자석 사이에서 구리 원판을 돌리면 돌리기가 훨씬 힘들어지고 원판이 뜨거워진다는 사실을 확인했습니다.

변화를 거스르는 힘, 렌츠의 법칙

와전류가 흐르는 방향에는 분명한 규칙이 있습니다. 1834년 러시아 제국에서 활동한 물리학자 하인리히 렌츠가 정리한 렌츠의 법칙입니다.

• 렌츠의 법칙(Lenz’s Law): 유도된 전류는 자신을 만든 자기장의 변화를 방해하는 쪽으로 흐릅니다.
• 끌림 힘(Drag Force): 그 결과 자석과 금속 사이에는 서로의 움직임을 늦추는 힘이 생깁니다.
• 열 발생(Joule Heating): 금속의 저항 때문에 전류의 에너지가 열로 바뀝니다.

구리관 속 자석도 이렇게 설명할 수 있습니다. 자석이 떨어지면 자석 아래쪽 관 벽에서는 자기장이 늘어나고 위쪽 관 벽에서는 줄어듭니다. 그러자 관 벽에 와전류가 생겨, 아래쪽은 자석을 밀어내고 위쪽은 자석을 잡아당깁니다. 결국 자석의 운동 에너지는 관을 아주 조금 데우는 열로 빠져나가고, 자석은 천천히 떨어집니다. 같은 자석을 플라스틱관에 넣으면 전류가 흐르지 못하므로 그냥 툭 떨어집니다.

골칫거리가 된 와전류

와전류가 늘 반가운 것은 아닙니다. 변압기와 전동기, 발전기 안에는 교류 때문에 자기장이 끊임없이 바뀌는 철심이 있습니다. 철심이 한 덩어리라면 그 안에 커다란 와전류가 돌면서 전기를 열로 날려 버리고, 기계를 뜨겁게 만듭니다. 이것을 와전류 손실이라고 부릅니다.

(1) 얇게 썰어 겹치기
그래서 변압기 철심은 얇은 규소 강판에 절연 막을 입혀 여러 장 겹쳐 만듭니다. 전류가 판과 판 사이를 건너지 못하니 소용돌이가 작게 쪼개져 손실이 크게 줄어듭니다. 이론상 와전류 손실은 판 두께의 제곱에 비례하므로, 판을 절반 두께로 만들면 손실은 대략 4분의 1로 줄어듭니다. 실제 변압기 강판이 1밀리미터보다 훨씬 얇은 까닭입니다.

(2) 전기가 잘 안 통하는 재료 쓰기
높은 주파수를 다루는 전자 기기에서는 페라이트처럼 자기를 잘 띠면서도 전기는 잘 통하지 않는 재료로 심을 만들어 와전류를 막습니다. 와전류 손실은 주파수가 높아질수록 빠르게 커지기 때문에, 고주파 기기일수록 이런 재료 선택이 중요합니다.

와전류를 일부러 쓰는 기술

거꾸로 와전류의 끌림 힘과 열을 쓸모 있게 바꾼 기술도 많습니다.

(1) 닿지 않는 브레이크
와전류 브레이크는 금속판을 자석 사이로 지나가게 해 속도를 줄입니다. 마찰이 없어 닳는 부품이 거의 없으므로 롤러코스터와 일부 고속열차, 대형 트럭의 보조 브레이크, 전동 원형 톱의 날을 빨리 멈추는 데 쓰입니다. 다만 속도가 느려질수록 힘이 약해지고 멈춘 물체를 붙잡지는 못해, 마찰 브레이크와 함께 씁니다.

(2) 냄비를 직접 데우는 인덕션
인덕션 레인지는 코일에 빠르게 바뀌는 전류를 흘려 냄비 바닥에 와전류를 만듭니다. 불꽃 없이 냄비 자체가 뜨거워지는 원리입니다. 그래서 바닥이 철처럼 자석에 붙는 재질인 냄비가 잘 맞습니다.

(3) 금속을 가려내는 눈
자판기는 동전이 자석 옆을 굴러갈 때 느려지는 정도로 가짜 동전을 걸러 내고, 재활용 공장은 와전류로 알루미늄 캔을 튕겨 내 다른 쓰레기와 나눕니다. 비행기 날개나 배관을 뜯지 않고 미세한 균열을 찾는 와전류 탐상 검사도 같은 원리를 씁니다. 금속 안에 금이 가 있으면 소용돌이의 길이 막혀 흐름이 달라지고, 검사 장비는 그 작은 변화를 잡아냅니다.

(4) 떨림을 재는 센서
발전소의 터빈처럼 빠르게 도는 축 옆에는 와전류를 이용한 근접 센서를 달아 둡니다. 축과 센서 사이의 거리가 조금만 달라져도 와전류의 세기가 바뀌므로, 닿지 않고도 0.1밀리미터 안팎의 미세한 떨림까지 지켜볼 수 있습니다.

와전류는 변하는 자기장에 대한 금속의 작은 저항입니다. 기계 안에서는 에너지를 갉아먹는 골칫거리지만, 원리를 이해하면 닳지 않는 브레이크와 빠른 조리, 정밀한 검사를 가능하게 하는 든든한 도구가 됩니다.

보이지 않는 힘의 성질을 먼저 이해하고 그것을 막을지 쓸지 지혜롭게 고르는 것, 그것이 생활 속 물리 공부의 첫걸음입니다.