전기 03 > 전자기-1 (쿨룸의 법칙. 자기유도, 자기장, 전자기력, 전동기 원리)

1.  자 석

      자철광(주성분 FeO)은 철이나 니켈 등을 끌어들이는 성질을 가지고 있는데, 이러한 성질을 자성이라 하며, 이 작용을 자기(mag-netism)라고 한다. 자성을 가진 물체를 자석(magnet)이라 하고, 자석의 양 끝을 자극(magnetic pole)이라고 한다. 자석에는 N극과 S극이 있는데, 이들이 단독으로는 존재하지 못한다. 이 두 개의 자극 사이에는 전기의 +, - 극과 마찬가지로 그림 I-23과 같은 성질이 있다.

▶ 같은 자극(N과 N, S와 S)끼리는 서로 반발력이 작용한다.

▶ 다른 자극(N과 S)끼리는 서로 흡인력이 작용한다.

지구와 자침과의 관계

자극의 성질

이 때, 작용하는 힘을 자기력이라 한다. 또한 그림 I-24와 같이 자기력이 작용하는 공간을 자기장(magnetic field) 또는 자장이라고 한다. 자기력이 N극에서 나와 S극으로 들어가는 선을 자기력선이라 한다.

자기장의 형성

 

2. 자기에 관한 쿨롱의 법칙

   자석이 가지고 있는 자기량을 자하(magnetic charge)라 하며, 단 위로는 웨버[weber : Wb]를 사용한다.두 개의 자극 사이에 작용하는 힘의 방향은 그림 I-25와 같이 자극이 서로 다를 때에는 흡인력이, 같을 때에는 반발력이 발생한다. 이 때, 자하 사이에 작용하는 힘의 크기를 나타낸 것을 자기에 관한 쿨롱의 법칙(Coulomb's law)이라 하며, 힘은 두 자하의 곱에 비례하고 거리의 제곱에 반비례한다.

자기에 관한 쿨롱의 법칙

 

 

3. 자기 유도

   자석 부근에 못과 같은 강철 조각 등을 놓으면 자극에 강철 조각이 달라붙는다. 이 때, 자석의 N극에 가까운 쪽의 강철 조각은 S극, 반대쪽은 N극으로 자화되어 자석이 된다. 그림 I-26과 같이 자기장 내에 있는 물체가 자기를 띠는 현상을 자기 유도(magnetic-induction)라 한다. 또, 자기장 내에 물체가 자석으로 되어 자성을 띠게 되는 현상을 자화(magneti-zation)라 한다. 자화가 되는 물체를 자성체(magnetic material)라 하고, 자화가 되지 않아 자성을 가지지 않는 물체를 비자성체(non-magnetic material)라 한다.

 

▶ 자기 포화 : 강철에 감은 전선에 공급하는 전류의 세기를 증가시키면 강철에는 점점 강한 자기력이 형성된다. 그러나 자기장의 세기가 어느 점까지 증가한 후에는 자기력은 더 이상 증가하지 않고 일정하게 된다. 이러한 현상을 자기 포화 현상이라고 한다. 이것은, 그림과 같이 분자 자석이 자기장 내에서 자력선의 방향으로 규칙적으로 배열되어 배열이 완성되면 더 이상 자력이 증가하지 않기 때문이다.

 

4. 전류와 자기장의 관계

(1) 전류가 만드는 자기장  : 그림과 같이 쇳가루를 뿌린 두꺼운 종이를 수평으로 놓고, 그 중앙에 직각으로 관통시킨 도선에 화살표 방향으로 전류를 흐르게 하면, 쇳가루는 도선을 중심으로 하는 동심원 상태로 배열된다. 이와 같은 현상은, 도선에 전류가 흐를 때 전류의 세기에 비례하고, 도선으로부터의 거리에 반비례하는 자기장이 도선 주위에 생기기 때문에 발생한다. 오른나사가 전진하는 방향으로 전류가 흐르면 자기력선의 방향은 그림 I-30과 같이 나사가 도는 방향이다. 이것을 앙페르(Ampere)의 오른나사의 법칙이라 한다. 그림에서 표는 전류가 지면을 향해서 들어가는 방향을, ⊙표는 지면에서 밖으로 나오는 방향을 표시한다.

 

(2) 코일이 만드는 자기장  : 그림과 같이 전선을 원형으로 구부린 코일에 직류 전류를 흘려 보내면 코일에는 자기력선이 형성된다. 전선을 여러 번 감은 솔레노이드 코일에 전류를 흘려 보내면 자기력선은 각 코일에 생긴 자기력선을 총합한 것이 되고, 코일의 양 끝은 자기력선이 나가는 N극과 자기력선이 들어가는 S극이 된다. 이 때, 코일 주위의 자기장은 전류의 세기가 강할수록, 코일을 감은 수가 많을수록 강해진다.

 

 

 

 

 

      

전류가 만드는 자계

코일에 생긴 자기력선을 보면 막대 자석의 자기력선과 매우 유사하다. 코일의 내부에 생기는 자기력선의 방향은 오른나사의 법칙 또는 오른손 엄지손가락의 법칙으로 구할 수 있다.  그림과 같이 오른손의 엄지손가락을 나머지 네 개의 손가락과 직각이 되게 한 다음, 네 개의 손가락을 전류의 방향으로 하여 코일을 잡으면 엄지손가락의 방향이 자기력선의 방향인 N극의 방향이 된다.

그림과 같이 코일에 전류를 보내고, 여기에 철 조각을 가까이 놓아도 철 조각을 끌어당기지 못한다. 그러나 코일 속에 철심을 넣으면 철심은 강력한 자석이 되어 철 조각을 끌어당겨 달라붙게 한다. 이와 같은 작용을 하는 자석을 전자석 또는 솔레노이드(sole-noid)라 한다.

오른손 엄지손가락의 법칙                                    코일과 전자석의 관계

 

5. 전자기력  

    자기장 중에 도선을 놓고 이것에 전류가 흐르게 하면 그림 I-34와 같이 도선에 힘이 작용한다. 이 힘을 전자기력이라 한다. 전자기력의 방향은 자속 의 방향과 전류의 방향을 직각으로 놓으면 이들에 대하여 직각으로 된다. 전기 에너지를 공급하여 기계적 에너지로 바꾸는 전동기는 전자기력을 이용하여 동력을 얻는 기계이며, 이 밖에 전류계, 전압계 등도 전자기력을 이용하고 있다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

▶플레밍의 왼손 법칙(Fleming's left hand rule) : 전자기력의 방향을 구하는 법칙으로, 그림 I-35와 같이 왼손의 세 손가락을 서로 직각으로 펼치고, 가운뎃손가락을 전류의 방향, 집게손가락을 자기력선의 방향으로 하면 엄지손가락의 방향이 힘의 방향이 된다. 이것을 플레밍의 왼손 법칙이라 한다.

 

 

 

 

6. 전동기의 원리     

전동기의 기본 구성은 그림과 같이 자기장을 만드는 자석, 자기장 중에 자유로이 회전할 수 있는 U자형의 도체, 2개로 분할되어 도체에 연결된 전원으로부터 전류를 공급하는 정류자(commu-tator) 과, 정류자와 항상 접촉되어 있어 도체에 전류를 공급하는 브러시(brush) 과 등으로 되어 있다.

도체 A로부터 도체 B로 전류가 흐르면 플레밍의 왼손 법칙에 의해 그림과 같이 N극 부근에 있는 도체 A는 아래 방향의 힘을, S극 부근에 있는 도체 B는 윗방항의 힘을 받아 회전한다. U자형 도체가 반회전 하여 정류자 는 브러시 과, 정류자 은 브러시 와 접촉하므로 전류의 방향은 바뀌지 않아 N극 쪽의 도체는 항상 아래 방향의 힘을, S극 쪽의 도체는 윗방향의 힘을 받아 회전 운동이 계속된다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

전동기의 구성      

 

U자형 도체 A, B에 작용하는 힘