과학시험 0점 처리 논란. 촘촘하게 감아야 솔레노이드 자기장의 세기가 세지는 이유

최근 한 고등학교의 과학시험에서 터진 한 논란이 뜨거운 감자로 떠올랐습니다.

바로 솔레노이드의 자기장을 강화하는 방법에 대한 문제 채점을 두고 일어난 혼란입니다. "코일을 많이 감는다" 만을 정답으로 인정하고 "촘촘하게 감는 것"이라는 전교1등 학생의 답은 0점처리되었다고 합니다. 선생님은 교과서에 나온 표현만 정답으로 인정한다며  이의 제기를 거부했지만, 많은 사람들이 그 판단에 의문을 제기하고 있습니다. "촘촘하게"라는 표현이 과학적으로 틀린 것일까요?

자기장 강도는 단위 길이당 턴 수(감은 횟수)가 증가할수록 강해진다고 알려져 있습니다. 단순히 감은 횟수 자체보다는 그 밀도가 중요한 변수로 작용한다는 거죠. 이렇게 생각해볼 때, 선생님의 "많이 감는"조건은 충분하지 않다는 점에서 "촘촘하게"에 비하면 정확하지 않다고 볼 수 있습니다.

자기장의 세기가 강해지는 조건

솔레노이드에서 자기장의 세기를 결정하는 요소는 여러 가지가 있습니다. 가장 중요한 요소는 코일의 턴 수(n), 전류의 크기(I), 그리고 솔레노이드의 길이(L)입니다. 솔레노이드 내부의 자기장의 세기(B)는 앙페르의 법칙과 솔레노이드의 자기장 공식 B = μ₀(nI)/L를 사용하여 계산할 수 있습니다.

1. 턴 수(n): 코일의 턴 수가 많을수록 같은 전류에서 자기장은 강해집니다. 이는 코일의 각 턴에서 발생하는 미소 자기장들이 서로 겹쳐져 전체적인 자기장을 증가시키기 때문입니다.

2. 촘촘함: 코일을 촘촘하게 감으면 감긴 부분의 단위 길이당 턴 수가 증가합니다. 이는 곧 솔레노이드의 효율적인 길이(L)를 감소시키는 것과 같으며, 결과적으로 자기장이 강해질 수 있습니다.

3. 전류의 크기(I): 전류가 강할수록 자기장도 세집니다. 이는 직접적인 비례 관계에 있습니다.

많이 감기 vs 촘촘하게 감기

선생님이 말씀하신 “코일을 많이 감는다”는 것은 턴 수(n)를 증가시키는 것으로, 자기장을 증가시키는 방법 중 하나입니다. 반면에, "촘촘하게 감는 것" 역시 단위 길이당 턴 수를 증가시켜 자기장을 강하게 할 수 있습니다.

솔레노이드에서 자기장의 강도를 결정할 때 단위 길이당 턴 수는 매우 중요한 요소입니다. 하지만 코일을 많이 간아서 턴 수(n)를 단순히 늘리는 것만으로도 자기장이 증가하므로, 선생님의 설명이 정확한 것 아니냐고 생갹할 수도 있는데요. 하지만 오히려 정확하지 않은 표현이라고 볼 수 있습니다.

단순히 많이 감으면 안되는 이유

솔레노이드에서 코일을 많이 감으면 턴 수는 증가하지만, 이로 인해 솔레노이드의 전체 길이(L)도 증가할 수 있습니다. 만약 전체 길이가 증가하는 것이 단위 길이당 턴 수(n/L) 증가를 상쇄한다면, 자기장의 강도는 예상만큼 증가하지 않을 수 있습니다.

솔레노이드의 자기장 강도는 주어진 전류에서 턴 밀도(단위 길이당 턴 수)에 비례하기 때문에, 턴 수를 늘리는 것과 길이를 늘리는 것 사이에는 적절한 비율이 있어야 합니다. 단위 길이당 턴 수가 최대가 되도록 최적화하는 것이 중요하며, 이는 코일을 촘촘하게 감음으로써 달성할 수 있습니다.

따라서 솔레노이드의 길이가 지나치게 커지지 않도록 하면서 턴 수를 증가시키는 것이 중요하고, 이는 ‘촘촘하게 감는 것’이 갖는 의미에 더 가깝습니다. 결론적으로, 턴 수를 늘리는 것과 촘촘하게 감는 것은 각각 자기장을 강화하는 방법이지만, 실제로는 두 조건을 모두 고려하여 최적의 자기장 강도를 얻어야 합니다.

정답 논란

선생님은 교과서에 나온 표현인 "많이 감는다" 만 정답 처리하고 나머자는 인정하지 않았다고 하는데요. 이런 식의 태도로 인해 많은 논란을 일으키고 있습니다. 선생님이 참고한 교과서는 다를지 모르겠지만 시중에 "촘촘하게"라는 표현이 사용되는 자료도 많습니다.

물리학은 정답이 존재하지만, 그 정답에 이르는 길은 다양하며, 때로는 상상력과 끈질긴 탐구가 필요하다는 사실입니다. 이제, 여러분은 이 문제에 대해 어떻게 생각하시나요? 우리의 솔레노이드는 어떻게 감아야 '진정으로' 강한 자기장을 만들 수 있을까요?