■ 교사용 실험 자료실 ■

실험 제목	한 뼘 스피커			실험 원리	스피커의 원리 이해, 전자석
실험 시간	50분	실험 분야	물리	실험 방법	개별 실험
세트구성물	투명 컵, 네오디뮴 자석, 에나멜선, 이어폰 코드, 사포, 양면테이프, 받침대 도안
교사준비물	라디오나 핸드폰 등			학생준비물	투명 테이프, 스틱형 풀, 유성 칼라펜
실험 결과	학생 1인당 한 뼘 스피커 1개를 가져갈 수 있습니다.
실험팁	TIP 1. 에나멜선의 양 끝을 사포로 문지를 때 에나멜선의 코팅을 완전히 제거합니다. TIP 2. 에나멜선과 이어폰 코드를 연결하여 투명 테이프로 감을 때, 에나멜선의 코팅이 제거된 부분을 모두 감아서 마감합니다. TIP 3. 소리를 재생할 때는 라디오나 휴대폰의 볼륨을 최대로 합니다. 증폭기를 사용하지 않아 볼륨을 최대로 하여야 한 뼘 거리 안에서 들을 수 있습니다. (우리가 실제 사용하는 스피커에는 전원에 연결하는 증폭기가 들어있습니다.)

1. 스피커의 원리

스피커는 소리를 만들어내는 장치입니다. 소리를 만든다는 것은 공기를 진동시켜서 음파를 발생시키는 것을 말합니다. 이렇게 진동하는 공기가 우리의 귀에 들어와서 고막을 진동시키면 그때 인식하게 되는 것입니다.

공기를 진동시키기 위해서 스피커의 앞쪽에는 검은 색의 진동판이 있습니다. 문제는 이 진동판을 어떻게 움직이게 하느냐 입니다. 스피커의 구조를 보면, 자석과 코일로 이루어져 있습니다.

어릴 때 전자석을 만들어보셨겠지요? 불에 달군다음 식힌 쇠못에 코일을 감고 건전지를 연결하면 자석이 된답니다. 여기서 코일에 전류를 흘려주는 것이 자석이 되는 포인트입니다. 이때 건전지의 극을 바꾸어서 전류의 방향을 반대로 해주면 자석의 극이 반대로 바뀌게 됩니다.

다시 스피커로 돌아와서

자석과 코일을 마주놓고 코일에 전류를 흘려주면 자석과 전자석아 마주보고 있는 것과 같게 됩니다. 그러면 둘 사이에는 전류가 어느 방향으로 흐르냐에 따라서 인력 또는 척력이 작용하게 됩니다.

자석을 고정시켜놓고 코일에 전기신호를 흘려줍니다. 이 전기신호는 교류로서 (+)와 (-)를 번갈아가면서 바뀌게 됩니다. 따라서 코일의 전자석이 (NS),(SN)을 번갈아가면서 나타나게 됩니다. 자석과 코일은 인력이 작용했다 척력이 작용했다 하면서 코일이 왕복운동을 하게 됩니다. 코일이 진동판과 붙어있어 코일의 왕복운동이 공기를 진동시키게 되는 것입니다.

이 전기신호는 음성신호를 전기신호로 바꾼것입니다. 음성신호와 전기신호의 관계를 보면,

소리의 크기에 따라 전류의 세기가 달라지고, 소리의 고음저음에 따라 전기신호의 (+)(-) 변환 속도가 달라집니다. 이로인해 스피커에서 음성신호의 크기와 높낮이를 맞추어 그대로 재생할 수 있는 것입니다.-네이버 지식 검색 인용

2. 전자기 유도현상과 전자기력

1. 자석에 의한 자기장내에 코일을 두고 전류를 흘려주면 코일이 힘을 받아 움직입니다. - 전자기력(로렌츠 힘)

2. 자석에 의한 자기장 내에 코일을 두고 힘을 가해 움직여 주면 코일에 전류가 유도됩니다. - 전자기 유도현상

위의 두 현상은 비슷해 보이지만, 다릅니다. 입력과 출력이 다른 경우입니다.

전자기력은 전류를 넣어주어 힘이 나오는 경우이고, 전자기유도현상은 힘을 넣어주어 전류가 나오는 경우입니다.

스피커는 음악신호가 전류신호로 들어오면 전류신호의 세기에 따라 코일에 흐르는 전류의 세기도 달라져 받는 힘의 크기에 변화가 생깁니다. 이 힘의 변화로 스피커 앞의 진동판이 떨리는 정도가 바뀌면서 다양한 음파를 발생시킵니다. 따라서 스피커는 1번에 해당합니다.

이와 같은 구조로 2번에 해당하는 것이 마이크입니다.

마이크는 말을 하면 공기의 진동이 마이크의 진동판에 힘을 가하고 이 힘은 코일에 전달됩니다. 코일이 힘을 받아 흔들리면서 그에 따라 전류를 유도하여 전기신호로 바뀌게 됩니다.

스피커와 같은 1번 원리를 이용하는 것은 전동기가 있습니다.

마이크와 같은 2번 원리를 이용하는 것은 발전기가 있습니다.

(그 외에도 2번 원리를 이용하는 것 : 금속탐지기, 도청장치, 변압기 등등)         - 네이버 지식 검색 인용

3. 스피커 [speaker]  - 백과사전

전기신호를 진동판의 진동으로 바꾸어 공기에 소밀파(疏密波)를 발생시켜 음파를 복사(輻射)하는 음향기기.

확성기 또는 라우드스피커라고도 한다. 진동판이 공기중에 직접 놓이는 종류를 복사형 스피커라 하고, 진동판이 혼(horn) 속에 놓이는 종류를 혼형 스피커라고 한다. 직접복사형은 보통 라디오 ·스테레오 장치에 많이 쓰이는 콘(cone)스피커가 대부분이며, 금속진동판을 사용한 것도 있다.

콘스피커는 진동판에 원뿔형(cone) 판을 많이 사용하며 전자기형(電磁氣型)인 마그네틱스피커(자기확성기)보다 동전형(動電型)이 많이 쓰인다. 효율은 코일을 지나는 총 자속수의 제곱에 비례하므로, 큰 자석을 사용한 대구경(大口徑)의 것이 전기음향 변환효율이 좋다. 1VA의 전기입력에 대해 축상(軸上) 1 m에서 105 dB(효율 약 1.5 %)~90 dB(0.3 %)의 음압이 생긴다.

혼스피커의 효율 30~40 %에 비하면 효율은 뒤지지만, 값이 싸고 소형으로 만들 수 있는 것이 특징이다. 혼형은 역이나 운동장 등 옥외에서 볼 수 있는 나팔형 스피커로, 전기적 ·음향적 특성이 양호하고 스피커를 수용하는 음향상자가 필요하지 않으므로 중형 이하의 스피커에 많이 사용되지만, 나팔개구부의 지름에 따라 나올 수 있는 음의 최저주파수가 제한되는 것이 결점이다.

전기신호를 음파로 변환시키는 원리와 방법에 따라 동전형(動電型) ·전자기형 ·정전형(靜電型) ·유전체형(誘電體型) ·자기왜형(磁氣歪型) 등이 있다. 음악재생용이나 음성용으로서는 성능이 좋은 동전형(다이내믹형)이 널리 쓰인다. 동전형은 영구자석의 자기장 내에 있는 코일(보이스코일)에 음성신호 전류를 흘리면 그 전류의 세기에 따라 기계적인 힘이 코일에 작용하여 운동을 일으키는 원리를 이용한 것이다.

전자기형은 영구자석 끝에 설치한 코일에 음성전류를 흘려 보내어 코일 사이에 있는 철편을 진동시키고 이 진동을 레버에 의해 진동판에 전하여 소리를 방사한다. 취급이 간단하므로 가정용 라디오에 많이 사용되었으나 고역특성(高域特性)이 나쁘고 일그러짐이 많아 점차 사용이 줄고 있다. 정전형은 고음용으로 사용되는 경우가 있고, 유전체형 ·자기왜형은 가청주파수가 아닌 20 kHz 이상의 초음파 영역에서 사용된다. 그리고 가청주파수용 스피커 중에서 특히 고역주파수대(10 kHz 이상)용으로 사용하는 것을 트위터(tweeter)라고 하는데 혼형 ·원뿔형 종류가 있으며, 진동계의 무게가 작다.