전자기 유도 피크의 방향이 왜 반대인가

전자기 유도(電磁氣誘導)는 자기장이 변하는 곳에 있는 도체에 전위차(전압)가 발생하는 현상을 말한다. 마이클 패러데이가 처음으로 수학적으로 설명하였다. 그는 발생한 전압은 자기 선속의 변화율에 비례한다는 사실을 알아냈다. 이 법칙은 자속밀도가 변화하거나, 도체가 일정하지 않은 자속밀도가 퍼져있는 공간을 움직일 때 적용할 수 있다. 전자기유도는 발전기와 전동기 등의 전기 구동기의 바탕에 있는 법칙이다.

패러데이 전자기 유도 법칙은 전자기 유도에 의한 유도 기전력의 크기는 단위 시간당 자기 선속의 변화율과 코일의 감긴 횟수에 비례한다는 것인데, 이것은 다음과 같다.

여기서 는 기전력으로 단위는 볼트(V)이고, N은 전선이 감긴 횟수, 는 자기 선속으로 단위는 웨버(Wb)이다.

이 법칙에서 자기선속의 변화율에 영향을 미치는 요소에는 면적의 변화와 자기장의 세기 변화가 있다. 이 중 하나만 변화하면 자기 선속의 크기는 변화하며 유도 기전력이 발생할 수 있다.

유도 기전력을 강하게 발생시키기 위해서는 자기 선속의 변화율 값을 키우는 방법이 주로 사용되는데, 다른 요소 값을 고정한 후에 면적의 변화율이나 자기장 세기 변화율의 크기를 크게 하여 큰 전력을 발생시킨다. 여기서 주의해야 할 점은 변화율이라는 것인데, 자기 선속이 커도 변화율이 작으면 큰 기전력은 발생하지 않는다.

전자기 유도에 의해 발생하는 기전력의 부호는 렌츠의 법칙을 통해 알 수 있다. 즉, 회로에 유도된 전류의 방향은 유도된 기전력을 발생시킨 자기장의 변화를 상쇄하는 방향이다. 즉,

회로에 기전력이 유도되고 유도된 전류가 흐르면 회로 주변에 다시 자기장이 형성되는데 그 자기장의 방향은 최초 기전력을 유도했던 자기장의 변화를 상쇄하는 방향이 된다

로렌츠 법칙을 활용하여 기전력을 새로운 식으로 나타낼 수 있다.

여기서 F는 로렌츠 힘을 나타낸다.

이는 직선이나 원형 전류 또는 솔레노이드에 의한 자기장에서 알아볼 수 있다.

참고: 맥스웰 방정식

발전기[편집]

발전기는 전동기의 반대 개념이라고 할 수 있다. 화석 연료나 수력, 원자력 등으로 얻은 높은 열은 물을 끓이는데 사용되고 여기서 얻은 증기는 터빈을 돌리게 되는데, 이 때 회전하는 터빈에 코일을 연결시키고 그 주위에 자석으로 코일 내부를 통과하는 자속을 매 시간 변화시킨다. 이로부터 코일에는 유도 전류가 흐르고 기전력을 얻을 수 있다. 영구 자석이 도체 또는 그 반대로 이동하는 경우, 기전력이 생성된다. 와이어가 전기 부하를 통해 연결되는 경우, 전류는 흐르고 전기 에너지가 생성된다.

같이 보기[편집]

• 패러데이 전자기 유도 법칙
• 맥스웰 방정식
• 전동기
• 발전기
• 변압기

외부 링크[편집]

• Magnet Academy

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목차

유도-코일을 통한 자석(전압 센서)

실험장비

실험방법

그래프

데이터

이론

질문

고찰

본문내용

수 있었다.
이론
* 렌츠의 법칙 - 전류고리에 유도되는 전류는 자기다발의 변화를 방해하는 방향으로 흐른다. 자기선속이 증가하고 있으면 감소하도록 나타나고 자기선속이 감소하고 있으면 증가되어 나타난다. (실험의 방향의 이유)
* 패러데이의 법칙 - 고리 둘레에 유도된 기전력의 크기가 고리를 통과하는 자기선속의 변화율에 비례한다. (그래프의 면적)
질문
1) 곡선의 면적이 나타내는 물리적인 의미는?
그 시간동안에 유도된 기전력들의 합을 의미한다.
2) 들어오는 선속은 나가는 선속과 같은가?
조금의 차이를 보이지만 실험에 따르면 나가는 선속이 조금 빠르다.
3) 나가는 피크가 들어오는 피크보다 높은 이유는 무엇인가?
기전력은 시간에 반비례하는데 나가는 피크일 때 자석이 떨어지는 속도가 들어오는 피크 일 때의 속도보다 더 빨라 시간이 줄어들고 선속이 커져 들어오는 피크보다 나가는 피크가 더 높다.
4) 피크의 방향이 왜 반대인가?
자석은 N극과 S극으로 나누어져 있는데 이 극은 각각 당기고 미는 서로 다른 성질을 가지고 있다. 그러므로 데이터 값이 반대 방향으로 나오게 된다. 즉 자석을 가까이 할 때, 코일에 유도되는 전류에 의해 생성되는 자기장은 자석을 밀어내려고 하기 때문에 자석의 자기장과 반대방향으로 유도된다. 반대로 자석을 멀리 하면 유도전류에 의해 생성되는 자기장은 자석을 가까이 끌어당기려고 하기 때문에 자석의 자기장과 같은 방향으로 유도된다.
5) 두 개의 막대자석을 같은 방향으로 해서 묶은 다음 낙하 시켰을 때 어떻게 되었는가? 또는 다른 극끼리(S극과 N극) 같이 묶어서 낙하하는 경우는?
고찰
이번 실험은 유도 코일을 통한 전압 센서를 측정하는 실험이다. 자석을 움직일 때는 코일 내에 자속의 변화가 생기므로 유도전류가 생기고, 자석을 움직이지 않을 때는 자속의 변화가 없으므로 유도전류가 생기지 않게 된다. 그리고 코일을 감은 횟수에 따라서 측정 결과가 다르게 나타나는데, 코일을 많이 감을수록 높은 전압이 생성된다. 이 때 측정되는 값은 위의 실험에서 나타나듯 이 위쪽 면적과 아래쪽 면적이 같은 것을 볼 수 있다. 또한 2번째 피크의 간격이 첫 번째 것보다 좁은데 아마도 떨어지는 속도가 증가하기 때문에 간격이 좁고 피크가 높게 나온 것 같다. 그리고 마지막 실험에서는 헬름홀츠와 코일에 교류전압을 흘렸을 때 sin곡선의 그래프를 얻을 수 있었고 그 이유가 전자기 유도 현상 때문이라는 것을 알았다.

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• 등록일2012.02.23
• 저작시기2012.1
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