전자공학 2. 전기와 자석 그리고 자기 공식과 이해

세상에는 여러 광석들이 있지만 그중에서는 같은 금속을 끌어당기는 성질을 지닌 금속이있다. 

 

이러한 성질을 자성이라고 하며, 이러한 작용을 자기라고 한다. 이러한 성질을 지닌 금속을 자석이라고 하며 그게 나타내는 극을 자극이라고 한다. 일반적으로 자석은 자성체, 반대로 자석의 성질이 없는것을 비자성체라고 부른다.

 

이러한 자극은 N극, S극 으로 나누고 전기로는 +,- 와 같은 성질을 나타내고 신기한점은 한 금속에서 N극만,S극만 따로 존재하지는 않고 항상 같이 존재한다는것이다.

 

이렇게 자력이 존재하는 공간을 자계(자장)이라고 한다. 다들 어릴적 까만색 철을 바닥에 펼쳐놓고 자석을 내려 놓으면 둥글둥글한 파형으로 존재하는 자계를 간접적으로 실험한적이 있을것이다. 

 

이때 대략적으로 파형을 띄는데 파형의 개수가 많을수록=자력선의 밀도가 높을수록, 자계의 세기가 강함을 알 수 있다.

 

신기한점은 자기를 갖지 않는 보통의 금속에 자석을 가져다대면 그 금속도 갑자기 금속을 끌어당기는 힘을 가지게 되는데 이를 자기유도라고한다. 

 

그렇다면 우리가 배우는 전기와 자계에는 어떠한 관계가 성립되나. 아무것도 없는 평면에 전류를 넣게되면 도선위에 올라가 있는 나침반이 움직인다. 이는 전류가 자석을 만든다는것을 의미한다.

 

여기서 많은 분들이 헷갈려하시는 내용, 바로 전력에 의한 자력선과 Coil에 의한 자계의 방향이다.

 

그림으로 한번에 보면

전력에 의한 자력선은 전류의 방향으로 오른쪽 엄지손가락을 놓고 그 선을 감싸쥔다는 가정을 했을때가 자력선의 회전방향이다.

 

Coil의 자력은 다음과 같다.. 전류의 방향을 오른손 엄지손가락 방향으로 잡고 코일전체를 감싸쥔다는 느낌으로 했을때 오른손 엄지손가락 방향이 나오는 방향이다. 즉 나오는 방향이 N극, 들어가는 방향을 S극으로 잡고 선을 그려주게 되면 위의 그림과 같다.

 

이때 코일의 자력선의 세기는 흐르는 전류 I와 코일을 감은 수 N의 곱에 비례한다.

 

자속과 자기회로

 

앞에서 자계를 선으로 표시한것을 자력선이라하고 자극의 세기를 선으로 관계를 나타내는것을 자속이라고 한다. 자속은 공기중에서 N극에서 S극으로 들어가고 자석내부에서는 S극에서 N극으로 일종의 LOOP형식을 통해 순환하는 구조이다. 이때 자석 내부의 순환되는 회로를 자기회로라고 한다. 그 단위는 Weber(Wb)로 나타내며 자력선과 자속은 비례관계를 갖는다.

 

이제 나도 싫고 읽는사람도 공부하는 사람도 싫은 수식이 들어가야한다. 

 

1. 전자석의 세기=자기력=전류xCoil감은수(권수)=I·N [AT]

 

2. 이때 자기저항 Rm=전류X권수/자속=I·N/Φ [Wb]

 

자속밀도는 자속과 단면적의 비례상수를 나타낸다.

 

3. 자속밀도 B=자속/단면적=Φ/A [Wb/m^2]

 

이때 자기회로 길이 l(m) 이라고 하면 자화력의 크기는 기자력과 길이의 비례상수를 나타낸다.

 

4. 자화력 H=기자력/길이=I·N/l [AT/m] 

 

여기서 자속밀도 B와 자화력 H와의 관계는 다음과 같다

 

5. 투자율 μ=자속밀도/자화력=B/H이다.

 

이게 뭔소린가 싶기도 하겠지만

 

1.세기는 그야말로 자석의 세기

2.자기저항은 전기에서의 저항과 같은 느낌으로 생각하시면 됩니다.자속이 흐르는것을 방해하는 성질

3.자속밀도는 자속이 지나가는 단면적에 비례하여 얼마나 지나가는지 전기로 치면 전류같은 느낌입니다.

4.자화력은 기전력과 동일하게 생각하시면 됩니다. 회로가 자화가 될 수 있게 만드는 힘입니다.

5.투자율은 어떤 매질이 주어진 자기장안에서 얼마나 변화하는지 ->자기장 세기에 따른 변화량

 

으로 생각하시면 이해하실 수 있습니다. 천천히 공식과 풀이를 읽어보시면 더 좋으실듯 합니다.