자기장,전자석, 전동기

목차

I. 자기장
1. 자기장이란?
2. 자속과 자기장 B
3. 직선 전류의 자기장

II.전자석
1.원형전류의 자기장
2. 솔레노이드
3. 전자석

III.전동기
1. 원형 전류의 자기 회전력
2. 전동기

IV. 발전기
1. 패러데이의 전자기 유도 법칙
2. 발전기

본문내용

는 전압(기전력)이 유도된다. 유도된 전압은 자기선속의 변화율과 같게 되고, 패러데이의 법칙에서 전압이 유도되는 과정을 전자기 유도라 한다. 이것이 오늘날 우리가 다량의 전기를 만들어 쓸 수 있는 발전기의 원리가 된다. 제대로 된 학교 교육을 받지 못하여 자신의 생각을 수학보다는 그림으로 표현하였는데 특히 전기력과 자기력을 화살표로 나타낸 아이디어는 오늘날까지 유용하게 사용된다.
1) 패러데이의 관심 - 자기장은 전류를 발생시킬 수 있을까?
2) 패러데이의 첫 번째 실험
- 나무 원통에 서로 연결되지 않은 두 개의 코일을 감아 한 코일은 전지에 연결하고, 다른 코일은 검류계(전류의 양과 방향 측정 가능)에 연결하여 전지에 연결된 코일에 전류가 흐르면 검류계에 연결된 다른 코일에도 전류가 흐르는지 알아보고자 했다.
- 두 번째 코일에서는 전류가 전혀 감지되지 않았다.
3) 검류계의 움직임
- 코일의 길이를 길게 하여 약 200피트 정도 감으니, 검류계의 바늘에는 매우 순간적이지만 미세한 움직임이 있었고, 전지와의 접촉을 끊었을 때 또 다시 순간적인 움직임이 반대방향으로 나타났다.
- 나무 원통에서 철심으로 바꾸니 순간적이었지만 검류계에서 더 큰 움직임이 감지되었다.
4) 지속적인 전류의 제공
- 1차 코일(전지를 연결한 코일)에 일정한 전류가 흐를 때 2차 코일(검류계를 연결한 코일)에는 전류가 전혀 감지되지 않았다.
<그림 10 - 패러데이의 실험>
- 회로가 연결되거나 끊겨 1차 코일의 전류가 변할 때만 2차 코일에 전류가 감지되었다.
- 2차 코일에 감은 코일의 횟수와 1차 코일에 사용된 전지의 세기에 비례하였다.
☞ 자석이나 전류가 정상 상태에 있을 때가 아니라 자기적 효과가 시간에 따라 변할 때 전류가 유도될 수 있다.
5) 또 다른 실험
- 검류계를 연결한 속이 빈 나선형의 코일 안에 영구자석을 넣었다 뺐다하는 실험
- 자석을 집어넣으면 검류계의 바늘이 한쪽 방향으로 움직였고, 빼면 다른 쪽 방향으로 움직였다. 자석이 움직이지 않으면 아무런 움직임도 없었다.
<그림 11 - 패러데이의 실험 2>
6) 자기선속(magnetic flux)
- 고리 모양의 도선을 통과하는 자기장의 양
- 고리 도선에 의해 둘러싸인 면적을 통과하는 자기력선의 수에 비례한다.
- 면이 자기장과 수직하게 놓인 고리 도선에 대한 자기선속은 자기장 B와 고리 도선으로 둘러싸인 면적 A의 곱으로 주어진다.
φ = BA ( φ(phi)는 선속에 사용되는 표준기호)
(※ 단, 고리의 면에 수직한 자기장 B의 성분만을 고려한다. 최대선속은 역선이 회로의 면에 수직한 방향으로 회로를 통과할 때로 역선이 이 면과 평행하면 회로를 통과하는 역선이 없기 때문에 선속이 없다.)
7) 패러데이의 법칙
- 모든 실험 결과, 2차 코일을 통과하는 자기장이 변할 때만 코일에 전류가 유도되었다.
- 패러데이의 법칙은 회로를 통과하는 자기선속이 변화할 때 그 회로에는 전압(기전력)이 유도된다. 유도전압(ε)은 자기선속(φ)의 변화율, 선속의 변화량(Δφ)을 이 변화를 일으키는데 걸리는 시간(t)으로 나눈 값과 같다.
ε =
Δφ
t
8) 전자기 유도
- 패러데이의 법칙에서처럼 전압이 유도되는 과정
- 회로를 통과하는 자기선속이 빠르게 변하면 변할수록 유도전압은 더욱 커진다.
- 도선의 코일을 통과하는 자기선속은 코일의 각 고리를 통과하므로 코일을 통과하는 전체 선속은 코일이 감긴 횟수(N)와 각 고리의 선속과의 곱과 같다.
φ = NBA
2. 발전기
- 발전기는 자기장을 통과하는 코일을 회전시켜 그로 인해 변하는 자기선속에 의해 전압을 유도시킴으로써 역학적 에너지를 전기에너지로 전환시킨다.
<그림 12 - 간단한 발전기> <그림 13 - 발전기의 원리>
1) 발전기의 원리
- 손잡이를 돌릴 때 공급되는 역학적 에너지로 영구 자석의 양극 사이에 놓인 코일이 회전한다.
- 코일의 면을 통과하는 자기선속은 그 면이 자석의 양극 사이를 지나는 자기력선들에 수직할 때 최대가 된다. 코일의 면이 자기력선들과 평행한 위치까지 돌아가면 자기선속은 0이 된다. 이 위치를 지나 계속 코일을 회전시키면 자기력선들은(코일에 대해) 처음 방향과 반대방향으로 코일을 통과한다. 코일의 회전으로 인해 코일을 통과하는 자기선속은 한쪽 방향의 최대에서 0으로 반대방향의 최대로 계속 변한다.
- 패러데이의 법칙에 의하면 이러한 변화하는 자기선속의 변화 때문에 코일에 전압이 유도된다. 유도된 전압의 크기는 자기선속의 변화율과 최대 자기선속의 크기를 결정해 주는 자석 및 코일에 관련된 요소들에 의존한다. 코일의 회전이 빠르면 빠를수록 그만큼 더 빠르게 자기선속이 변하므로 유도전압의 최대값은 보다 커지게 된다.
- 시간에 대하여 연속적으로 변하는 자기선속과 유도전압은 코일의 축이 일정한 속력으로 회전하면 그림에서처럼 선속은 매끄럽게 변화한다. 선속을 나타내는 그래프 아래쪽에 있는 유도전압에 대한 그래프는 같은 시간의 눈금에 대하여 그려진 것이다.
<그래프 1 - 시간에 대한 발전기의 φ과 유도전압 ε>
- 패러데이의 법칙에 의하면 유도전압은 자기선속의 변화율과 같다. 따라서 유도전압의 최대값은 선속 곡선의 기울기가 최대인 곳에서 일어나며 선속이 순간적으로 변하지 않는(기울기자 0)인 곳에서 0이된다. 이 결과로 나타나는 유도 전압에 대한 곡선은 선속과 같은 모양을 하고는 있지만 선속의 곡선에 대하여 상대적으로 이동해 있다.
2) 발전소의 발전기
- 발전기에 의해 정상적으로 생성된 전압은 교류전압으로, 전력 배전 체계에는 교류가 사용된다.
- 전력 생산을 위해서는 발전기 코일의 회전속도를 특정한 값으로 유지시켜 주어야 한다.
(※ 미국 - 교류전류의 표준진동수는 60Hz(60회전/초)
- 발전소에서 사용되는 발전기는 여기에서 설명한 간단한 형태의 발전기와 흡사하다. 보통 한 개 이상의 코일로 이루어져 있으며 영구자석보다는 전자석이 이용되지만 작동 원리는 동일하다.
3) 자동차의 발전기
- 생성된 전력은 라디오를 대전된 상태에 있도록 유지시켜 주기도 하고, 불이 들어오게도 하고 다른 전기장치에 전력을 공급하기도 한다.

키워드

전자석,   자기장,   발전기 ,   전동기,   패러데이,   전자기 유도 법칙,   원형 전류,   솔레노이드