전자기학
자기 튜토리얼에서 우리는 영구 자석이 북극에서 남극까지 자기 주위에 자기장을 생성하는 방법을 간략하게 살펴보았습니다.
전자기력의 힘은 우리가 전하라고 알고 있는 특성을 생성하는 원자와 분자 사이의 상호 작용을 지배하는 다른 모든 힘의 기본 힘입니다.
영구 자석은 양호하고 때로는 매우 강한 정적 자기장을 생성하지만 일부 응용 분야에서는 이 자기장의 강도가 여전히 너무 약하거나 존재하는 자속의 양을 제어할 수 있어야 합니다. 따라서 훨씬 더 강력하고 제어 가능한 자기장을 생성하려면 전기를 사용해야 합니다.
철심과 같은 연자성 물질을 감거나 감은 와이어 코일을 사용하여 다양한 유형의 전기 응용 분야에 사용할 수 있는 매우 강력한 전자석을 생산할 수 있습니다. 와이어 코일을 사용하면 전기와 자기 사이의 관계가 생성되어 전자기학이라는 또 다른 자기 형태를 얻을 수 있습니다 .
전자기학은 전선이나 케이블과 같은 단순한 도체를 통해 전류가 흐를 때 생성되며, 전류가 도체 전체를 따라 흐르면 도체 전체를 따라 자기장이 생성됩니다. 도체 주위에 생성된 작은 자기장은 도체를 통해 흐르는 전류의 방향에 따라 생성된 "북극"과 "남극" 모두와 함께 명확한 방향을 갖습니다.
따라서 도체를 통해 흐르는 전류와 이 전류 흐름에 의해 주변에 생성되는 결과적인 자기장 사이의 관계를 확립하여 전기 와 자기 사이에 존재하는 관계를 전자기 의 형태로 정의할 수 있어야 합니다 .
우리는 전류가 도체를 통해 흐를 때 도체의 전체 길이를 가로지르지 않는 완전한 루프를 형성하는 자속선과 함께 원형 전자기장이 그 주위에 생성된다는 것을 확인했습니다.
이 자기장의 회전 방향은 도체를 통해 흐르는 전류의 방향에 따라 결정되며, 생성된 해당 자기장은 전류 전달 도체의 중심 근처에서 더 강해집니다. 이는 루프의 경로 길이가 도체에서 멀어질수록 아래와 같이 자속선이 약해지기 때문입니다.
도체 주변의 자기장
도체 주위의 자기장의 방향을 결정하는 간단한 방법은 일반 나무 나사를 종이에 조이는 것입니다. 나무 나사가 종이에 들어갈 때 회전 동작은 시계 방향이므로 종이 위에 보이는 나사의 유일한 부분은 실제 나사 머리입니다.
나무 나사가 포지드리브(pozidriv) 또는 필립스(philips) 유형 헤드 디자인인 경우 헤드의 십자가가 보입니다. 종이로 "들어가서" 관찰자로부터 멀어지는 전류의 방향을 나타내는 데 사용되는 것이 바로 이 십자형 헤드입니다.
마찬가지로 나사를 제거하는 동작은 반대 방향, 시계 반대 방향 또는 시계 반대 방향입니다. 전류가 위에서부터 들어오기 때문에 종이의 아래쪽을 떠납니다. 아래에서 보이는 나무 나사의 유일한 부분은 나사의 끝 부분입니다. 종이 "밖으로" 관찰자를 향해 흐르는 전류를 나타내는 데 사용되는 것이 바로 이 지점입니다.
그런 다음 나무 나사를 종이에 끼우고 빼는 물리적 동작은 아래 그림과 같이 도체의 일반적인 전류 흐름 방향과 그에 따른 전자기장의 회전 방향을 나타냅니다. 이 개념은 일반적으로 오른나사 동작(Right Hand Screw Action) 으로 알려져 있습니다 .
오른나사 동작
자기장은 일반적으로 두 개의 극이 존재함을 의미합니다. 하나는 북극 이라고 하고 , 다른 하나는 남극 이라고 합니다 . 전류가 흐르는 도체의 극성은 대문자 S 와 N 을 그려서 설정할 수 있습니다 . 위에 표시된 대로 문자의 자유 끝에 화살표를 추가하면 해당 자기장의 방향을 시각적으로 표현할 수 있습니다.
전류 흐름의 방향과 도체 주변의 자속 방향을 결정하는 또 다른 친숙한 개념을 "왼손 법칙" 이라고 합니다 .
전자기학 의 왼손 법칙
자기장의 알려진 방향은 북극에서 남극으로입니다. 이 방향은 전류가 흐르는 도체를 왼손으로 잡고 엄지손가락을 뻗어 전자 흐름 방향을 음에서 양으로 가리키면 추론할 수 있습니다.
도체를 가로질러 그리고 주위에 놓인 손가락의 위치는 이제 그림과 같이 생성된 자력선의 방향을 가리키게 됩니다.
도체를 통해 흐르는 전자의 방향이 반대라면, 왼손은 전자 전류 흐름의 새로운 방향을 가리키는 엄지손가락으로 도체의 반대쪽에 위치해야 합니다.
또한 전류가 역전되면 도체 주위에 생성된 자기장의 방향도 역전됩니다. 왜냐하면 앞서 말했듯이 자기장의 방향은 전류 흐름의 방향에 따라 달라지기 때문입니다.
이 "왼손 법칙"은 전자기 코일의 극의 자기 방향을 결정하는 데에도 사용할 수 있습니다. 이번에는 손가락이 음에서 양으로 전자가 흐르는 방향을 가리키고, 뻗은 엄지손가락은 북극의 방향을 가리킨다. 소위 기존 전류 흐름(양에서 음으로)을 기반으로 하는 "오른손 법칙"이라는 이 규칙의 변형이 있습니다.
아래 그림과 같이 단일 직선 와이어 조각이 단일 루프 형태로 구부러지는 경우를 고려하십시오. 전류는 전선 도체의 전체 길이를 통해 같은 방향으로 흐르지만 종이를 통해 반대 방향으로 흐르게 됩니다. 이는 전류가 한쪽 면에서는 종이를 떠나 다른 쪽 면에서는 종이로 들어가기 때문에 시계 방향 자기장과 반시계 방향 자기장이 종이를 가로질러 서로 옆에 생성되기 때문입니다.
이 두 도체 사이의 결과적인 공간은 교차점에서 뚜렷한 북극과 남극을 생성하는 막대 자석의 형태를 취하는 방식으로 펼쳐지는 자력선을 통해 "강화된" 자기장이 됩니다.
루프 주위의 전자기학
루프 주변의 힘의 선
루프의 두 평행 도체를 통해 흐르는 전류는 루프를 통과하는 전류가 왼쪽에서 나와 오른쪽으로 돌아올 때 반대 방향입니다. 이로 인해 루프 내부의 각 도체 주변의 자기장이 서로 "동일한" 방향이 됩니다.
루프를 통해 흐르는 전류에 의해 생성된 결과적인 힘의 선은 두 개의 유사한 극이 만나는 두 도체 사이의 공간에서 서로 반대되어 그림과 같이 각 도체 주위의 힘의 선을 변형시킵니다.
그러나 두 도체 사이의 자속 왜곡으로 인해 힘의 선이 서로 가까워지면 중간 접합에서 자기장의 강도가 커집니다. 두 유사 필드 사이의 결과적인 상호 작용은 두 도체가 서로 밀어내려고 할 때 두 도체 사이에 기계적 힘을 생성합니다. 전기 기계에서는 이 두 자기장이 반발하여 동작이 발생합니다.
그러나 도체가 움직일 수 없기 때문에 두 자기장은 상호 작용 선을 따라 북극과 남극을 생성하여 서로를 돕습니다. 이로 인해 두 도체 사이의 중간 부분에서 자기장이 가장 강해집니다. 도체 주위의 자기장의 강도는 도체로부터의 거리와 도체를 통해 흐르는 전류의 양에 비례합니다.
전류가 흐르는 직선 전선 주위에 생성된 자기장은 높은 전류가 통과하더라도 매우 약합니다. 그러나 와이어의 여러 루프가 동일한 축을 따라 함께 감겨 와이어 코일을 생성하는 경우 결과 자기장은 단일 루프의 자기장보다 훨씬 더 집중되고 강해집니다. 이는 일반적으로 솔레노이드라고 불리는 전자기 코일을 생성합니다.