PART3전기자기장 회로

실험 2 :자자의 세기

이론

자석 주위에 나침반을 놓으면 나침반의 자침이 힘을 받아 움직인다. 이와 같이 자석의 기운이 미치는 공간을 자기장이라고 하는데, 이 자기장은 눈으로 볼 수 있는 것이 아니므로 주로 나침반을 이용하여 그 방향과 세기를 측정한다. 자기장의 방향은 나침반 자침의 N극이 가리키는 방향으로 정하였고, 자침이 움직이는 정도로 그 세기를 미루어 짐작할 수 있다.

자기장의 세기는 철가루를 뿌려서도 알 수 있다. 철가루가 빽빽하게 모일수록 자기장의 세기가 크다고 말할 수 있다. 막대 자석의 경우에 자석의 세기가 셀수록, 또 자극으로부터 거리가 가까울수록 자기장은 세다. 도선에 전류가 흐르는 경우에도 자기장은 형성되는데, 직선 도선의 경우에 도선에 흐르는 전류의 세기가 셀수록, 도선으로부터의 거리가 가까울수록 자기장은 세다. 코일의 경우에는 철가루를 뿌려보면 막대 자석의 자기장과 비슷함을 알 수 있다. 코일에 흐르는 전류의 세기가 셀수록, 코일의 감은 수가 많을수록 자기장은 세어지는데, 자기장이 가장 센 곳은 코일 내부이다.

솔레노이드(Solenoid)

1819년, 한스 크리스티안 에르스텟은 전류가 흐르는 전선이 나침반에 영향을 주는 것을 알았을 때, 전류가 자기장을 생성한다는 것을 발견했다.
만일 환상코일은 코일로부터 동일한 방향으로 감아져있는 경우, 많은 자계가 더 조밀한 코일을 통해 자속선을 만들게 될 것이다. 코일을 통해 자기장은 더 강해지고, 환상코일은 자기장이 더욱 강해진다.
매우 강력한 자기장을 생성하기 위해 만든 나선형으로 감긴 코일은 솔레노이드라고 합니다. 솔레노이드의 자속선은, 자석과 같이 동일하게 작용한다.
자속은 N극을 두고 S극으로 이동한다.
솔레노이드에 금속 bar(Plunger)를 설치하면 그림 3-6에 그려진 솔레노이드와 코일 내부에 bar를 그린다.
전선에 흐르는 전류에 의해 발생되는 자화력을 기자력(mmf)이라고 한다. 이 기자력은 코일의 권수와 코일에 흐르는 전류에 의존한다.

실험 과정

1. M03 보드의 Block c를 그림 3-6와 같이 결선하고 SW를 FWD에 위치한다.

2. DC 12V를 회로에 가했을 때 전류계에 측정되는 값을 표 3-2 해당란에 기록한다.

3. DC 전압을 5V부터 12V까지 증가하면서 솔레노이드가 작동할 때(Plunger가 코일 안으로 당겨질 때)의 전압과 전류를 측정하여 표 3-2 해당란에 기록하고. 또한 이때 나침반이 지시하는 쪽은 어디인지 기록한다.

4. SW를 반대(REV)로 하였을 경우 전압과 전류를 측정하여 표 3-2 해당란에 기록하고. 또한 이때 나침반이 지시하는 쪽은 어디인지 기록한다.

tab1

3-2-5 렌츠와 패러데이의 법칙

목적

• 전자기 코일 내에서 렌츠의 법칙을 확인할 수 있다.
• 전자기 코일 내에서 페러데이의 법칙을 확인할 수 있다.

관련이론

패러데이(Faraday)의 법칙 (Faraday's law of electromagnetic induction)

1831년 영국의 물리학자 마이클 패러데이가 발견하였다
전자기유도(電磁氣誘導)는 자기장이 변하는 곳에 있는 도체에 전위차(전압)가 발생하는 현상을 말하며, 이 때 발생한 전압은 자속밀도(magnetic flux)의 변화율에 비례한다.

그림 (a)와 같이 코일에 자석이 다가오면 코일에 전류가 유도된다. 자석이 멀어지면 반대 방향으로 전류가 흐른다. 그림 (b)와 같이 자기장 안에 있는 코일을 잡아당기면 코일에 그림과 같이 전류가 흐른다.

전원이 연결되어 있지 않은 상태에서 유도 전류가 흐르려면 자석의 운동이 있어야 하며, 역으로 자석은 가만히 있고 코일이 운동하여도 역시 유도 전류는 흐르게 된다. 그런데 아무리 센 자석이라고 해도 가만히 있으면 유도 전류가 생기지 않는다.

이처럼 자계의 변화에 의해 도체에 기전력이 발생하는 현상을 전자기유도라고 하며 이 기전력을 유도기전력, 흐르는 전류를 유도전류라고 한다. 유도기전력의 크기에 관해 마이클 패러데이는 ‘유도기전력은 코일을 관통하는 자력선이 변화하는 속도에 비례한다.’는 법칙을 발견하였으며 이 패러데이의 법칙을 패러데이의 전자기 유도 법칙이라고 한다.

이 식에서 ℇ은 유도기전력이다. 만일 위의 그림에서 회로에 저항 R이 연결되어 있다면 회로에는 만큼의 전류가 흐른다. 위 식 우변의 는 회로로 둘러싸인 면을 지나가는 자기장의 선속(flux)이다. 즉 전기가 흐를 수 있는 도선으로 연결된 폐회로가 자기장에 놓여 있고, 이 자기장의 선속이 시간에 따란 변화하는 변화율이 회로에 유도되는 유도기전력과 같다.

렌츠(Lentz)의 법칙

1834년 독일의 물리학자 하인리히 렌츠에 의해 발견되었다
폐회로에서 유도 전류(유도 기전력)는 원래의 자속의 변화를 방해하는 방향e또는 자석의 운동을 방해하는 방향으로 생긴다.

그림 (a)의 위 그림에서 자력선의 증가(B)를 방해하는 방향인 위쪽으로 자력선(B)이 발생하여 기전력이 유기되며(페러데이 법칙) 유기된 기전력에 의해서 앙페르의 오른나사 법칙에 따른 방향으로 유도 전류가 흐르게 된다. 유도 전류의 방향은 생성된 자력선이 위쪽을 향하므로 코일의 감긴 형태에 따라 그림과 같은 방향으로 흐른다. (자석의 N극이 접근하면 코일에 N극이 유도된다.)

그림 (a)의 아래 그림에서 자력선의 감소(B)를 방해하는 방향 즉, 자력선을 증가시켜주는 방향인 아래쪽으로 자력선(B)이 발생하여 기전력이 유기(페러데이 법칙)되며 유기된 기전력에 의해서 유도 전류가 흐르게 된다. (자석의 N극이 멀어지면 코일에 S극이 유도된다.)

실험 과정

1. 그림 3-9와 같이 별도의 Galvano 미터를 사용하여 전류계를 결선한다.

2. 코일내부로 막대자석을 좌우로 넣었다 뺐다를 반복해보자. 전류계에 어떠한 변화가 있는가?

3. 막대자석의 방향을 반대로 하고 위 실험을 반복해보자. 전 실험과 결과는 어떠한 차이가 있는가?

4. 코일의 안쪽에 자석을 넣어둔 상태로 두면 전류값은 어떻게 되는가?

print