전기 04 > 전자기-2 (전자유도작용, 발전기 원리, 자기및 상호 유도작용)

7. 전자 유도 작용

    자기장 중에서 도체에 힘을 가하여 도체를 움직이거나 자속을 움직여 도체와 자기력선을 교차시키면 도체에 기전력이 발생한다. 이것을 전자 유도 작용(electromagnetic induction)이라 한다. 이 전자 유도 작용에 의해 발생한 기전력을 유도 기전력, 도체에 흐르는 전류를 유도 전류라 한다.

 

   그림과 같이 코일에 자석의 N극을 근접시키면 코일을 통과하는 자속이 증가한다. 따라서, 코일 내에는 이것을 방해하기 위하여 코일 자신 에 유도 전류가 흘러 자석 쪽에 N극의 자기장을 만들어 자석의 N극이 접근하는 것을 저지한다. 반대로 코일에서 자석의 N극이 멀어지면 코일 내에는 유도 전류 가 반대로 흘러 자석 쪽에 S극의 자극을 만들어 자석의 N극이 멀어지는 것을 저지한다.

 

 

코일에서 기전력 발생 원리

플레밍의 오른손 법칙 : 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.

 

 

 

 

 

 

▶ 렌츠의 법칙 : 코일을 통과하는 자속을 변화시키면, 그림 Ⅰ-41과 같이 코일 내에는 자속의 변화를 방해하는 방향으로 유도 기전력이 발생한다는 법칙이다.

 

 

 

 

 

 

8. 발전기의 윈리

    발전기는 전자 유도 작용을 이용하여 전기를 발생시킨다. 발전기의 기본 작용은 자석 N극과 S극 사이에 있는 코일을 외력으로 회전시켜 코일에 기전력을 발생시키는 것이다.

 

 

 

 

 

 

 

 

(1) 교류 발전기

   코일의 양 끝인 a와 c를 슬립 링이라고 하는 금속링 S₁과 S₂에 각각 결합한 후, 각 슬립 링에 브러시 B₁과 B₂를 접촉시킨다. 자기장 속에서 코일을 회전시키면 플레밍의 오른손 법칙에 따라 코일에 기전력이 유도된다. 코일은 180˚회전 할 때마다 코일의 위치가 바뀌므로 그림과 같이 기전력의 방향이 반대로 되어 일정 주기로 전류가 변하는 교류 전류를 발생시킨다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2) 직류 발전기

    교류 발선기의 슬립 링을 자른 정류자라고 하는 서로 절연된 도체 C₁과 C₂에 코일의 양 끝인 a와 c를 결합한 후, 각 정류자에 브러시 B₁과 B₂를 접촉시킨다. 자기장 속에서 코일을 회전시키면 기전력이 유도된다. 코일이 180˚회전 할 때마다 코일의 위치가 바뀌므로 기전력의 방향이 반대로 된다. 그러나 브러시에 접촉하는 정류자도 동시에 바뀌기 때문데 브러시의 극성은 그림과 같이 항상 일정하게 되어 진류의 방향이 일정한 방향으로만 흐르는 직류 전류를 발생시킨다.

 

 

 

9. 자체 유도와 상호 유도

(1) 자체 유도 작용

    그림과 같이 개폐기(ON/OFF 스위치)를 사용하여 코일에 흐르는 전류를 변화시키면 코일과 교차하는 자기력선이 변화되기 때문에, 그 변화를 방해하는 방향으로 기전력이 발생한다. 이와 같은 전자 유도 작용을 자체 유도라 한다. 자체 유도 작용에 의한 유도 기전력은 코일의 감긴 수와 전류의 변화량에 비례 한다.

 

 

 

자체유도

개폐기 ON/OFF시 유도 기전력의 방향

(2) 상호 유도 작용

     그림과 같이 2개의 코일 A와 B를 가까이 놓고, 코일 A에 전류를 흐르게 하면, 이것에 의해서 생기는 자속 중에서 자속 Φ12는 코일 B를 관통한다. 따라서, 전류를 변화시키면 자속도 변화하므로 코일 B에는 전자 유도 작용에 의하여 자속의 변화를 방해하려는 방향으로 기전력이 생기게 되는데, 이와 같은 현상을 상호 유도 작용이라고 한다. 상호 인덕턴스는 두 코일의 크기, 모양 및 상호간의 위치 등에 따라 상호 유도 기전력이 결정되는 비례 상수로서 상호 유도 계수라 고도 한다. 상호 인덕턴스의 단위로는 자체 유도 계수의 단위와 같은 헨리[H]를 사용한다. 상호 유도 작용을 이용한 것으로 변압기, 점화 코일 등이 있다. 변압기의 철심에는 2개의 코일이 감겨 있는데, 한쪽은 입력 측(1차 코일)이고, 다른 한쪽은 출력 측(2차 코일)이다. 코일 입력 측에 E₁[Ⅴ]의 교류 전압을 가하면 1차 코일에 흐르는 전류의 변화에 의한 자기력선의 변화가 생기므로, 2차 코일에는 권수비에 비례하는 교류 전압 E₂[Ⅴ]가 유도되는데, 그 관계는 다음과 같다.

만일, N₂> N₁이면 전압이 높아지고, N₁> N₂이면 낮아진다. 따라서, 권수비를 적당히 선정하면 전압을 자유롭게 변환시킬 수가 있다. 그러나 1차 측이 직류 회로이면 1차 코일의 자기력선이 변화되지 않으므로 스위치를 넣은 상태로는 2차 코일에 전압이 발생되지 않는다. 여기에서 스위치를 단속하여 1차 측의 자기력선에 변화를 주면 2차 측에 전압을 발생시킬 수 있다. 자동차에 있어서 그림 Ⅰ-49와 같은 점화 코일은 이 원리를 이용하여 고전압을 발생시킨다.

저항(resistance):전류의 흐름을 방해
인덕턴스(inductance):전류의 변화를 방해

상호유도작용

 

변압기와 점화코일의 회로