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전자기 유도와 교류

전자기 유도

자석이나 전류가 만드는 자기장, 혹은 자기장과 전류의 상호 작용 등, 지금까지 다루어 온 자기장은 시간에 따라 변화하지 않는 경우였다. 그런데 자기장이 시간에 따라 변화한다면 어떠한 현상이 일어날 것인지 생각해 보자. 자기장이 변화할 때의 현상은 F=IιB와는 다른 작용을 하게 된다. 여기에서 우리가 중점적으로 살펴볼 것은 '변화하는 자기장의 기능'이다.

전자기 유도 현상

코일에 자석의 N극을 가까이 가져가거나 자석의 N극에 코일을 가까이 가져갔을 때, 또는 코일 옆의 전자석의 스위치를 닫았다 열었다 했을 때 코일에 전류가 흐른다. 이와 같은 현상을 전자기 유도 현상이라 하고 코일에 흐르는 전류를 유도 전류라 한다. 이와 같이, 전자기 유도 현상을 일으키게 하는 3가지 방법의 공통점을 알아보자.자석을 가까이 가져가거나 전류를 흐르게 하거나 하는 이들 현상은 모두 자기장을 변화시키는 현상이다. 즉, 어느 실험에서나 코일을 관통하는 자기력선의 수가 변화될 때에는 유도 전류가 흐르게 된다.

유도 전류의 방향

誘導電流－方向 전자기 유도 현상에서 흐르는 유도 전류의 방향은 자기력선의 변화를 방해하는 방향이라는 것이 실험에 의해 증명되었다. 이것을 '렌츠의 법칙'이라 한다. 예를 들면, 하단 왼쪽의 경우는 자석에 의해 아래 방향의 자기력선이 증가되므로, 유도 전류에 의하여 생기는 자기력선의 방향은 위쪽 방향이 아니면 안 된다. 따라서 코일에는 화살표 방향으로 전류가 흐른다. 자기장 내의 ㄷ자형 도선 위를 1개의 도선 AB가 이동하고 있을 때에도 도선으로 만들어진 회로에 유도 전류가 흐른다. 이때도 코일 속을 관통하는 자기력선의 수가 변화하고 있기 때문이다. 자기장이 위로 향하고 도선이 오른쪽으로 이동할 경우, 유도 전류는 B―→A방향으로 흐른다. 유도 전류의 크기에 대해서는 다음과 같이 설명할 수 있다. 이동하는 도선이 A1점을 통과할 때의 유도 전류를 I1, 폐회로의 저항을 R1이라 하자. 또, 도선이 A1를 통과할 때를 각각 I2, R2라고 한다. 이때는 물론 R1<R2이다. 경험에 의하면 도선이 움직이는 속도가 일정할 때, R1I1=R2I2가 된다. 여기서 회로를 흐르는 전류는 회로의 저항에 따라 값이 달라져서 불편하므로 볼트를 도입하는 것이 바람직하다. 따라서, 회로의 전자기 유도에 따른 볼트 수, 즉 유도 기전력에 대한 법칙을 고찰해 보도록 하자. 유도 전류의 세기는 이 볼트수를 회로의 저항값으로 나눈 것이다.

맴돌이 전류

전자기 유도의 현상은 도선 내에서만 일어나는 것이 아니고 금속판의 내부에서도 일어난다. 구리판 위에서 막대 자석을 왼쪽으로 움직이면, N극 바로 아래 있는 M점의 왼쪽에서는 자석의 움직임에 따라 아래쪽으로 향하는 자기력선이 증가되고, M점의 오른쪽에서는 아래쪽으로 향하는 자기력선이 감소되어 간다. 이러한 현상에 의하여 M의 왼쪽·오른쪽에서 이 변화를 방해하는 방향의 전류가 금속판 안에 생긴다. 자석의 자기력선의 증감에 대응해서 금속판 내에 일어나는 현상이 맴돌이 전류이다. 자석이 이동함에 따라 M의 왼쪽에는 위로 향한 자기력선이 M의 오른쪽에서는 아래로 향한 자기력선이 생겨서 자석의 이동에 의한 자기력선의 변화를 방해한다. 이것이 맴돌이 전류의 원인이다. 구리로 된 원판을 수평으로 늘어뜨리고 자유로이 회전할 수 있도록 해 놓는다. 이 구리판 아래에서 막대 자석을 회전시키면 원판에 맴돌이 전류가 생겨서 원판도 회전한다. N극의 바로 위를 M점으로 하고 N극을 시계 바늘 방향으로 회전시킨다고 하면, 구리판의 M점에서는 맴돌이 전류가 흘러서 이동 방향의 뒤쪽에서는 위로 향하는 자기력선이 생긴다. 이것은 구리판의 M점의 뒤쪽으로 자석의 S극이 있다는 것을 의미하며, N극과의 사이에 S극과의 인력이 작용하여 N극이 이동하면 원판도 움직이는 것이다. 이것과 마찬가지 현상이 막대 자석의 S극 바로 윗부근에서도 일어난다. 즉, 막대 자석이 회전함에 따라 원판도 그것을 따라가듯이 움직인다. 이 원리를 응용한 모터가 유도 모터이다. 실제의 유도 모터에서는 막대 자석을 회전시키는 대신에 여러 개의 전자석을 만들어서 전류를 끊었다 넣었다 하여 움직이게 한다.