자기유도 - 패러데이 법칙

 

 

 

 

패러데이 (Michael faraday)

 

 

패러데이는 영국의 물리학자이다. 그는 초등교육을 마치지 못하였기 때문에 계산보다는 실험을 통해 연구를 했다. 평소와 같이 같은 실험을 여러번 반복하던 도중, 그는 자석을 회로에 가까이 가져오면 회로에 연결된 검류계의 바늘이 움직인다는 사실을 발견했다.

이를 통해 자기장의 변화가 전류를 생성한다는 것을 알아냈다.

 

그렇다. 패러데이 법칙은 자기장의 변화가 전류를 만들어내는 것이다. 여기서 중요한점은 '자기장의 변화'라는 것인데, 도선근처에 아무리 강한 자석을 놓아도 도선에는 전류가 흐르지않는데 이 자석을 움직이면 전류가 생성 되는 것이다.

이러한 현상을 전자기 유도라고 한다. 이렇게 만들어진 전류가 유도전류 이다. 

 

자석을 회로에 가까이 가져오거나 회로에서 멀리 가져가면 전류가 흐르는데 천천히 운동할때보다 빨리 운동할때 생성되는 전류의 세기는 강해진다.

또한 재밌는점은 자석은 가만히두고 회로만을 움직여도 전류가 생성된다는 것이다.

즉 상대적인 운동에 의존한다는 것이다.

 

중력에 의해 높은 곳에서 낮은곳으로 물체가 떨어지게 되듯이 전기장에서 전위가 높은곳에서 낮은곳으로 전하가 이동하게되는데, 두점에서 이렇게 전위가 높은곳에서 낮은곳으로 떨어지게 하는 힘을 기전력이라고 한다.

도선에 전류가 흐르게 되는 것은 회로에 기전력이 있음을 뜻하게 된다. 즉, 건전지 같이 기전력장치가 없어도 전류가 흐를수 있는 것이다.

전류는 전하의 운동에 의한 것이고 그 운동에는 힘이 필요하므로 도선속에 전기장이 만들어졌음을 알 수 있다.

변화하는 전기장에 의해 만들어지는 전기장을 유도 전기장 이라고 하고 이를\(E_{유도}\) 라고 나타낸다.

유도 기전력은 폐회로 (닫힌회로) 전체 구간에서의 유도 전기장의 선적분값으로 정의한다.

즉 유도 기전력을 ε이라고 나타내면, ε=∮\(E_{유도}\)dl로 정의한다.

 

이와 같이 기전력의 원인이 되는 힘은 건전지에서와 같이 화학적인 원인에 의한 것이 아닌 전자기 유도 현상 같은 방법으로도 얻어질 수 있다. 기전력은 힘이아니라 전위 인데 역사적인 이유로 마치 힘처럼 기전력이라고 불리고 있다.

 

패러데이는 전자기유도에서 가장 중요한 것은 폐회로를 통과하는 자기력선의 수의 변화임을 깨달았다. 어떤 면을 통과하는 자기력선의 수는 자기선속 또는 자속이라는 양으로 나타낸다. 

어떤면을 통과하는 자속은 그면에서의 자기장 벡터를 면적분한 양으로 나타낸다.

예를 들어, 바닥면에 놓인 넓이가 A인 폐회로에 수직 방향으로 균일한 자기장 B가 있다고 하면 이떄 이 폐회로면의 자속은 BA라고 나타낸다. 이때 면벡터 방향을 어떻게 취하는가에 따라 이 자속값의 부호가 바뀌지만 여기서는 크기만을 생각한다.

 

자기장의 단위는 T(테슬라) 이므로, 자기선속의 단위는 T＊\(m^2\)이고 이것을 웨버(wb)라고 한다.

즉, 1wb=1T*\(m^2\)

이때 자기장 방향이 수직방향과 각 θ만큼 기울어져 있다면, 그면을 통과하는 자속은 BAcosθ 

 

패러데이는 실험 결과로부터 폐회로에서 유도되는 기전력의 세기는 폐회로를 통과하는 자속의 시간 변화율과 같음을 알게 되었으며,

ε=│dBAcosθ/dt│로 표현할수 있다.

이것이 바로 패러데이 유도법칙이다.

회로 도선을 통과하는 자속이 시간에 따라 늘어나면, 그 도선에 유도되는 전류가 만드는 자기장은 자속의 증가를 막는 쪽으로 생긴다.

즉, 유도 전류가 발생하기 때문에 폐회로의 자속은 쉽게 증가하지 못하게 되는것이다.

유도 전류가 이와 같은 방향으로 생기는 것을 렌츠의 법칙이라고 한다.

위의 사진과 같이 유도된다.