[물리1 요점정리] 전류의 자기작용

다른 포스팅을 하고있었는데 일단 급한 불부터 꺼달라는 간곡한 요청을 받고 급조된 포스팅

SKA'       자석이 만들어 내는 자기장

이런 그림 많이들 봤을 겁니다.

자석에 철가루를 뿌리면 이렇게 N극에서 S극으로 가는 곡선을 그리는데 이 곡선 하나하나를 자기력선 이라고 합니다.

자기력선의 특징으로는 (틀린거 찍는문제로 나오곤 합니다.)

1. 항상 폐곡선을 이룬다. (끊어지지 않고 N극과 S극을 잇는 다는 말입니다.)

2. 절대 도중에 만나거나 분리되지 않는다.

3. N극에서 나와서 S극으로 들어간다. (자석 내부에서는 S극에서 N극으로 이동합니다.)

4. N극에서 나오는 갯수와 S극으로 들어가는 자기력선의 수는 항상 같다.

5. 자석은 아무리 잘게 쪼개더라도 N극과 S극을 갖는다. (자기쌍극)

자속(φ ; 퓌라고 읽습니다. 단위는 Wb; 웨버라고 읽습니다.) - 어떤면을 통과하는 자기력선의 갯수

자기장의 세기(자속밀도, B라고 씁니다.) - 단위면적을 통과하는 자기력선의 갯수

                      자기장의 세기의 단위는 [Wb/m^2 또는 T;테슬라] 를 사용합니다.

아래 그림을 한번 보세요.

극이 위치하는 부분에는 철가루들이 만들어내는 선(자기력선)들이 조밀하게 뭉쳐있습니다. 

1. 자기력선의 수가 많다 -> 자속이 강하다.

2. 같은 면적안에 자기력선의 수가 많다 -> 자속밀도가 크다. 자기장이 세다.

극의 중간 배부분을 보면 상대적으로 철가루들의 선(자기력선)이 듬성듬성 있습니다.

3. 자기력선의 수가 적다 -> 자속이 약하다.

4. 같은 면적안에 자기력선의 수가 적다 -> 자속밀도가 작다. 자기장이 약하다.

SKA'       전기가 만들어내는 자기장 (오른나사의 법칙)

1. 직선전류에 의한 자기장

전기가 도선을 흐르게 되면 자기장을 만들어 냅니다. 이럴때는 오른나사의 법칙을 기억하세요. 오른손으로 엄지손가락을 전류의 방향으로 놓고 살짝 감으면서 따봉을 해주면 됩니다.

전류가 흐르는 도선에 가까울 수록 자기장의 세기는 강할 것이고, 도선에서 멀어질수록 자기장의 세기는 약해집니다.

그리고 당연히 전류가 강해지면 자기장의 세기도 강해지겠지요.

=> 자기장의 세기는 전류에 비례하고 거리에는 반비례한다.

직선전류와 떨어진 곳에서의 자기장의 세기(자기장의 세기 이므로 B를 써야합니다.)는 다음의 식으로 결정됩니다.

2. 원형전류에 의한 자기장

원형전류도 오른나사의 법칙을 쓰면됩니다. 어떻게 되는고 하니,

이렇게 반원의 끝단에서 오른나사 법칙을 쓰면됩니다. 이렇게 흐르는 원형도선전류에서는 화면을 뚫고 나오는 쪽으로 자기장이 발생하겠군용.

원형도선 중간에서의 자기장의 세기는 (직선전류와 다릅니다. 위치에 따라 변하는게 아니에요. 도선의 중간에서의 자기장의 세기임)

=> 전류에 비례하고, 원의 반지름에 반비례합니다.

공식은 직선전류와 같은데 계수에 π만 곱해주면 됩니다.

3. 솔레노이드에 의한 자기장

솔레노이드는 도선을 촘촘하게 감은 것을 말합니다. 원형도선이 겹쳐있다고 생각하면됩니다. 여기서도 오른나사법칙은 유용합니다. 솔레노이드 전체를 보고 전기가 흐르는 방향쪽으로 엄지손가락이 가도록하면, 그쪽이 자기장의 방향입니다

솔레노이드가 충분히 길다고 가정하면 솔레노이드의 내부에서의 자기장의 세기는 거의 같은데 그 크기는 다음과 같습니다. (솔레노이드 바깥쪽도 아니고 내부에서의 자기장의 세기입니다.)

공식외우는것도 중요합니다만, 각 공식이 어디에서의 자기장의 세기를 말하는 것인지를 아는것이 중요합니다.!!

SKA'       자기력 (자기장에서 전기가 흐를때 도선이 받는 힘)

자석에서 N극과 N극은 서로 밀쳐내려고 하고, S극과 S극은 서로 밀쳐내려고 합니다.

마찬가지로 자석에 의해서 자기장이 발생된 상태에서 도선에 전기를 흐르게 되면 도선도 자기장을 발생시키게 되고, 이 두 자기장이 서로에게 힘을 가하게 되는 것이 바로 자기력입니다.

아래 그림처럼 자석을 세팅하고 자기장을 만든다음에 도선에 화면을 뚫고 들어가는 방향으로 전류를 흘려주게 되면, 도선이 오른나사의 법칙에 의해서 자기장을 만들어주게 됩니다.

그러면 도선의 위쪽에서는 자석에 의한 자기장과 도선에서 만든 자기장이 보강되어 강해질 것이지만,

도선의 아랫쪽에서는 자기장의 방향이 반대이므로 상쇄되어 약해지게 됩니다.

보강과 상쇄된 자기장에 의해 도선은 아랫쪽으로 힘을 받게 되고 이것을 자기력이라고 합니다.

그리고 플레밍은 이것을 플레밍의 왼손법칙이라고 이름짓고, 외우기 쉽게 만들었죠.

FBI 라고 외우면 쉽습니다.

엄지손가락 F = 도선이 받는 힘의 방향

검지손가락 B = 자기장의 방향

중기손가락 I = 전류의 방향

전류가 흐르는 도선이 자기장에 놓일 때 받는 힘의 크기는 아래와 같이 정의됩니다.

F : 힘의 세기 [N]

B : 자기장의 세기 [T, Wb/m^2, N/(mA)]  <- 앞시간의 차원해석에 대한 이야기를 보신분들이라면, 위에 있는 상수k의 단

위와 자기력을 연관지어서 생각해보세요.

l : 도선의 길이 [m]

Θ : 도선과 자기장이 이루는 각도

일반적으로는 도선과 자기장이 직각을 이루므로,

sinΘ=1이므로,

SKA'       자기력의 응용

1. 전류계와 전압계

아까 자기력 공식을 보면 자기력은 전류의 세기와 비례하는군요. 전류가 증가하면 계기판을 돌려주는 힘도 강해지므로 전류계나 전압계에 응용할 수 있겠습니다.

2. 전동기(모터)

가장 많이 응용되는 분야죠? 전류의 흐름으로 인한 자기장으로 도선이 회전하게 되고 이것이 바로 모터의 원리입니다.

3. 수능시험

매년 한문제씩 응용돼서 출제되고 있습니다 ㅜ

당근 풀이도 해야겠죠? 다음시간에...