전자력과 전자유도

1. 전자력

 

자계 속에 도체를 놓고 전류를 흐르게 하면 힘이 발생한다. 이 힘을 전자력이라 한다. 도선에 전류가 흐르면 오른나사의 법칙에 의해 도선 주위에 오른나사의 법칙과 같이 자계가 생긴다. 또한 도선을 전자력을 받는 방향과 같이 N극과 S극에 의한 자력선이 작용하고 있는 자석 중앙에 도선을 넣고 도선에 전류를 통하면 자력선은 직선이 되려고 하는 힘이 있어 도선을 밀어내려고 하는 힘이 작용한다. 전자석은 전류를 인가했을 때만 자력을 띠게 된다. 따라서 전류를 차단하면 자력선은 사라진다. 전자석은 전류의 방향을 바꾸면 자극도 반대로 된다. 전자석의 자력은 코일 권선의 횟수와 공급 전류의 크기에 영향을 받는다.

 

 

2. 플레밍의 왼손법칙

 

자석의 N극과 S극 사이 자력선과 도선의 전류방향에 따라 작용하는 전자력의 관계를 왼손의 손가락 3개를 펴서 집게손가락을 자계 방향 가운데 손가락을 전류 방향을 하면 엄지손가락이 전자력 방향이 된다. 발생하는 전자력의 크기는 자계가 강할수록, 도선에 흐르는 전류가 클수록, 자 계속의 도선의 길이가 길수록 강한 힘이 발생한다. 

 

 

3. 전자유도의 원리

 

자계 내에 자력선과 직각으로 도체를 놓고 이 도체를 움직이면 도체에 전류가 생긴다. 전자 유도와 같이 도체 양 끝에 전류계를 연결하고 도체를 자력선 직각방향으로 움직이면 도체에 전류가 생겨 전류계가 흔들린다. 또한 자석을 움직여도 마찬가지로 전류계는 흔들린다. 도체를 움직이는 방향에 따라 전류계의 움직임도 반대가 되며 움직임이 빠를수록 전류계의 흔들림도 크다. 이처럼 도체와 자력선이 교차되면 도체에 기전력이 생긴다. 이 기전력의 크기는 자속밀도 x 도체의 길이 x 도체의 움직이는 속도의 곱으로 나타낸다. 이러한 현상을 전자유도 작용이라 하며 전자유도 작용에 의하여 발생한 기전력을 유도 기전력, 흐르는 전류를 유도전류라 한다. 이것이 발전기의 원리이다. 전자유도를 발생시키려면 도체와 자력선과 상대 운동에 의하거나 도체에 영향을 미치는 자력선을 변화시키는 방법들이 있다.

 

 

4. 유도 기전력의 방향

 

렌츠의 법칙 : 유도 기전력의 방향은 코일 속의 자속의 변화를 방해하는 방향으로 생긴다는 법칙으로 자석을 코일에 가까이할 때 자석 가까운 쪽에 같은 극이 나타나고 코일에 기전력을 발생하여 자석의 접근을 방해한다. 또 자석을 코일에서 멀리하면 자석 가까운 쪽에는 다른 성질의 극이 되도록 기전력을 발생하여 자석이 멀어지는 것을 방해한다.

 

플레밍의 오른손법칙 : 도체와 자력선과 상대 운동에 의한 경우 기전력의 방향도 렌츠의 법칙으로 구할 수 있지만 보다 간편한 방법이 플레밍의 오른손 법칙이다. 오른손 엄지손가락을 운동방향에 일치시키면 가운데 손가락은 유도 기전력 방향을 표시한다. 이것을 플레밍의 오른손 법칙이라고 한다.

 

 

5. 자기 유도 작용

 

자기 유도 작용에서 코일에 흐르는 전류를 변화시키면 코일에 발생하는 자계도 변화되기 때문에 코일에 변화를 방해하는 방향으로 기전력이 발생한다. 이와 같은 전자유도 작용을 자기유도 작용 또는 자기 인덕턴스라 한다. 즉, 자기유도 작용에 따른 전류가 시간의 관계와 같이 회로에서 스위치를 닫으면 전류의 흐름 방향의 반대방향으로 흐르는 기전력이 코일 내에 발생되며 흐르는 전류는 이 역기전력으로 인하여 서서히 증가하며 흐르게 된다. 이때에는 코일에 자속의 변화 속도가 작기 때문에 코일 내에 발생하는 기전력도 전지의 전압보다 높아지지 않는다. 그러나 스위치를 열면 자력선이 급격히 감소하기 때문에 큰 유도 기전력이 발생된다. 따라서 자기유도 작용도 그만큼 크게 되어 전지의 전압보다 훨씬 큰 전압이 발생된다.

 

 

6. 맴돌이 전류

 

도체 속을 자력선이 통과하고 있을 때 맴돌이 전류와 같이 자력선을 증가시키든지 도체를 움직여 자력선이 상대적으로 움직일 때에는 철심 내에는 전자유도 작용에 의한 기전력이 유도되어 자속의 변화를 방해하는 방향으로 전류가 흐른다. 이때 생긴 전류는 철심 중에 저항이 적은 통로를 따라 회로를 만들며 흐른다. 이와 같은 전류를 맴돌이 전류라 한다. 맴돌이 전류가 생긴 철심에는 그 철심의 저항에 따라 열이 발생되어 에너지 손실이 된다. 이 손실은 맴돌이 전류 손실이라 한다. 교류회로에서 쓰이고 있는 변압기에서 철심의 온도가 서서히 상승되는 것은 맴돌이 전류에 의한 열 손실 때문이다.