안녕하세요
이번편은 기본이론의 마지막 입니다. 페러데이 법칙과 로렌츠 힘을 소개할 것입니다. 각 이론별로아래의 세가지 사항을 확인하시기 바랍니다.
1) 발생상황 또는 조건
2) 방향
3) 크기
두 이론을 작은부분부터 큰부분까지 적용하면 기기의 특징, 문제, 원리 등 기기의 모든 것에 대해 알 수 있으니 꼭 알아두시기 바랍니다. 그럼 시작하겠습니다.
◆ 전기기기의 분류와 중요이론
전기기기는 위의 그림과 같이 크게 에너지를 다루는 기기와 힘을 다루는 기기로 나눌 수 있습니다. 에너지를 다루는 대표적인 기기들로는 변압기, 센서, 무선충전, 인덕션 히팅 등이 있고, 힘을 다루는 대표적인 기기들로는 모터와 엑츄레이터가 있습니다. 참고로 힘이 회전에 쓰이면 모터이고 그렇지 않다면 엑츄레이터라고 합니다. 관련 이론으로는 에너지 타입은 페러데이 법칙이 가장 중요하면 힘 타입은 로렌츠 힘이 가장 중요합니다. 왜냐하면 성능을 결정하는 요소이기 때문입니다. 자칫 나는 이쪽 타입이니까 이것만 알면돼 할 수 있는데 자계가 있고, 전류가 흐르고, AC 전원을 사용하면 두 이론의 현상은 항상 발생하므로 둘 다 알아야합니다. 특히 힘 타입은 페러데이 법칙이 필요할 때가 많으니 더욱 더 숙지하고 있는 것이 좋습니다.
◆ 페러데이 법칙(Faraday’s law)
페러데이 법칙은 변화하는 1)자계속에 도선이 있을 때 도선에 전압이 발생되는 것을 말합니다. 전압이 유기 된다고 하여 이 전압을 유기전압(EMF)이라고 말합니다. 도선에 전압이 생겼으니 V=IR로 전류가 흐르겠죠? 이 전류를 와전류(eddy current)라고 합니다. 아직은 감이 잘 안잡히시죠? 도선은 알겠는데 변화하는 자계가 애매하죠? 어떻게 하면 변화하는 자계를 만들수 있을까요? 가장 쉽게 생각할 수 있는 것은 자석을 도선 가까이 하다가 멀리합니다. 그러면 도선 입장에선 자속이 커졌다 작아졌다 하며 변하는게 됩니다. 그런데 이렇게 하면 너무 힘들겠죠? 좀 더 간편한 방법은 전류를 이용하는 것입니다. 전류가 흐르면 그 전류에 의해 자계가 발생합니다. 자계 세기는 전류 크기에 비례합니다. 이런 특징을 이용해서 아래 그림과 같이 도선 B 옆에 도선 A를 가까이 하고 도선 A에 전류를 크게 했다가 작게 했다가 를 반복하면 앞의 자석과 동일한 상황을 만들 수 있습니다. 전류의 크기를 변화해주는 전원은 주위에서 쉽게 찾을 수 있는데 바로 AC전원입니다. AC전원을 이용하면 쉽게 변화하는 자계를 만들 수 있습니다. (참고로 가장 가까운 AC 전원은 바로 옆에 있습니다. 일반적인 전원이 220V/60Hz 의 AC전원입니다.) 요약하면 도선 B 가까이에 AC 전류가 흐르는 도선 A가 있으면 도선 B에 유기전압이 생기고 와전류가 흐르게 됩니다. 한가지 더 중요한 것은 2)와전류의 방향은 도선 A에 흐르는 전류의 반대방향이라는 것입니다. 좀 더 나아가서 도선 B에 반대 방향의 전류가 흐른다는 것은 도선 A가 만드는 자계를 줄이겠다는 것입니다. 즉, 도선 A가 자계로 건들면 가만히 있던 도선 B가 반대로 맞받아 친다는 것입니다.
그럼 어느정도로 맞받아 칠까요?? 그 정도는 아래의 식을 따릅니다.
쇄교 자속이란 도선 B를 건드리는 자계를 뜻합니다. 이 식을 보면 3)도선 B를 건드리는 자속이 클수록 그리고 건드리는 간격이 작을수록 유기전압이 커집니다. 쇄교자속을 키우는 방법으로는 도선 A에 도선 B를 더 가까이 하거나 도선 A에 흐르는 전류를 크게 하는 방법이 있습니다. 건드리는 간격을 작게하는 방법으로는 도선 A에 흐르는 전류의 주파수를 크게하는 방법이 있습니다. 그리고 마이너스 부분은 도선 A와 방향이 반대라는 뜻입니다. 이러한 성질을 잘 적용하면 결과 분석 및 설계를 어떻게 해야하는지 방향을 잘 잡을 수 있습니다.
◆ 로렌츠 힘(전자력, Lorentz Force)
다음으로는 로렌츠 힘 또는 전자력입니다. 로렌츠 힘은 언제 발생할까요? 아래 그림 처럼 1)전류가 흐르는 도선이 자계 안에 있으면 로렌츠 힘이 발생됩니다. 아래 그림에서 연두색 선은 자기력선을 나타나는데 도선 주위에 자기력선이 직선이 아닌 이유는 도선에 흐르는 전류 또한 자계를 만들어 자석의 자계와 도선의 자계가 합쳐졌기 때문입니다.
식으로서 방향과 크기를 알아보겠습니다. 로렌츠 힘의 식은 아래와 같습니다. 2),3)전류와 자속밀도의 외적으로 나타내는데
도선의 길이를 고려해서 3)힘의 크기를 나타내면 아래와 같습니다.
2) 외적이 익숙치 않아서 방향이 어렵다면 왼손으로 힘의 방향을 알 수 있습니다. 우선, 왼손 모양을 아래와 같이 합니다. 그 다음에 중지를 전류방향(들어가는 방향)에 맞추고 검지를 자석이 만드는 자기장 방향에 맞추었을 때 엄지가 가리키는 방향이 로렌츠 힘의 방향이고 이 법칙을 플레밍의 왼손법칙이라고 합니다.
힘 타입이 페러데이 법칙을 더 알아야하는 이유는 전자력의 전류가 와전류가 될 수 있고 경우에 따라 원하는 방향 또는 원치 않는 방향으로 발생할 수 있기 때문입니다.
페러데이 법치과 로렌츠 힘에 대해서 알아봤습니다. 서두에서 말했듯이 이 이론은 분석에 매우 유용한 이론입니다. 분석 때, 위에 언급한 세 개의 식을 적어놓고 분석하면 많은 도움이 될 것입니다. 마지막으로 두 이론에서 공통적으로 전류와 자계가 큰 영향을 미치는 것을 볼 수 있습니다. 전류와 자계는 자계해석에 중요한 요소로 결과분석 시 꼭 확인하시길 바랍니다.
그림 출처
1) http://javalab.org/lorentzs_force/
2) http://fun.jjang0u.com/chalkadak/view?db=1018&no=14500