패러데이 법칙 실험 이론,패러데이 법칙 결과,패러데이 법칙 실험 결과,패러데이 법칙 맥스웰 방정식,패러데이 법칙 정의,패러데이 법칙 렌츠의 법칙,패러데이 법칙 증명,패러데이 법칙 공식,패러데이 법칙 실험,패러데이 법칙 이용,
해외 여행을 가면 각 나라 별로 필요한 돈을 환전해 사용한다.
원화를 달러나 엔화로 바꿔 사용하듯, 상황에 맞는 변환은 우리 생활에 많은 도움을 준다.
경제 영역 뿐만 아니라 공학에서의 에너지 변환도 우리에게 많은 편리를 제공한다.
기계 에너지를 전기 에너지로 변환하는데 발전기를,
전기 에너지를 기계 에너지로 변환하는데 모터(전동기)를 사용한다.
이 두 에너지의 변환이 가능하게 해준 원리가
이번에 설명할 전자기 유도, 패러데이 법칙, 렌츠의 법칙이다.
전자기 유도 현상은 마이클 패러데이가 처음 발견하였다.
위 그림은 마이클 패러데이가 전자기 유도 실험을 한 것이다.
코일이 감겨 있는 곳(A)에 자석(B)이 이동하며 시간에 따라 자속이 변하면,
코일에서 전류가 발생하여 전류계의 바늘(C)이 움직이는 현상을 본 것이다.
전자기 유도는 자기장이 변하는 곳에 있는 도체에 전위차가 발생하는 현상을 의미한다.
이런 전자기 유도 현상을 가만히 보고 있자면,
우리가 고등학교 때부터 익히 잘 알고 있는 작용 반작용의 법칙이 떠오른다.
작용 반작용의 법칙은 '작용에 대해 크기는 같고 방향은 반대인 반작용이 작용한다'는 법칙이다.
위 그림에서 왼쪽의 여자분께서 우측의 남자를 밀게 되면 반대되는 방향의 힘을 받아 서로 밀려나게 된다.
이제 이 개념을 전기 공학으로 가져오자.
위 그림 우측의 초록색 막대기는 자기장이 잘 통하는(투자율이 높은) 물질이다.
여기에 전기가 잘 통하는 주황색 전선(코일)을 감아둔다. 이 상태에서 파란색 외부 자기장을 가해준다.
외부 자기장은 투자율이 높은 초록색 물질로 집중하여 흐른다.
이때 초록색 막대기에서는 파란색 방향으로 자속의 크기가 증가하는데,
주황색 코일에서는 이 증가를 막는 붉은색 방향의 자속을 형성한다.
코일에서 이 붉은색 방향의 자속 형성으로 인해 전압(전자기)이 유도 된다.
간단히 정리하여 코일에는 자속 변화를 막는 방향으로 전압이 유도된다는 것이다.
이것이 전자기 유도 법칙이다.
이런 원리로 패러데이 법칙과 렌츠의 법칙을 설명하면 다음과 같다.
패러데이 법칙은 위 그림 우측의 검정 글씨 부분으로,
감겨진 권선 코일에서 자속이 통과하면 전압은 시간에 대한 자속의 변화율에 비례해 유기됨을
말해주는 식이다.
위 수식에서 알 수 있듯이 유기되는 전압(eind)이 커지려면
코일을 많이 감던가(N),많은 자속이 변하든가(dф), 짧은 시간(dt)에 재빨리 자속이 변하면 된다.
수식의 좌측은 전압이니 그냥 V로 표시하면 될 듯한데 왜 e로 표기하였는지 궁금하여 찾아봤다.
e는 electomotive force(emf) 기전력을 의미하며, 전자기 유도로 발생한 전기의 힘을 나타내기 위하여 이런 표현을 사용한 것이라 한다.
패러데이법칙을 좀 더 직관적으로 알기 쉽게 이해해보자
우리가 발로 축구공을 찰 때 큰 힘으로 재빠르게 차야 공이 반작용으로 멀리 날아간다.
비슷하게 큰 자속으로 빨리 변하는 자속 환경에 있어야 큰 전압이 발생된다.
코일을 N번 감는 것은 축구공이 N개가 있어 이동하는 거리 곱하기 N개하는 것처럼 생각하면 될 듯하다.
발전기 내부나 모터 같은 곳을 보면 코일이 칭칭 감겨 있는 것을 볼 수 있다.
코일이 많이 감긴 이유는 패러데이 법칙에서 나오듯 동일 자속에서 높은 전압을 형성하거나,
동일한 코일의 전류에서 많은 자력을 만들기 위해 하는 조치로서,
코일을 많이 감아 에너지 변환의 효율성을 높이기 위해 이렇게 하는 것이다.
코일이 감겨 있는 곳은 동일 자기장에서 높은 자속 밀도가 집중되어 흐를 수 있도록 투자율이 높은 물질(강판)을 사용한다.
렌츠의 법칙은 패러데이 법칙에서 붉은색으로 표기된 마이너스(-)를 의미하는 것으로, 코일에 유기되는 전압(eind)방향은 자속의 변화에 반대하는 방향으로 생성된다는 것을 뜻한다.
공학과 과학에는 사람의 이름에서 유래한 수 많은 법칙이 있는데,
이 마이너스 기호(-) 하나로 법칙을 만드신 렌츠의 법칙이 아마 가장 짧은 공식이지 않을까 싶다.
2017.5
Daily
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét