전자기 유도
DC 전류가 긴 직선 도체를 통과하면 그 주위에 자화력과 정자기가 발생합니다.
전자기 유도는 전기와 자기의 관계를 사용하여 단일 와이어를 통해 흐르는 전류가 그 주위에 자기장을 생성합니다. 전선을 코일로 감으면 자기장이 크게 강화되어 자기 주위에 정자기장이 형성되어 뚜렷한 북극과 남극을 나타내는 막대 자석 모양을 형성합니다.
공심 중공 코일
코일 주변에서 발생하는 자속은 그림과 같이 코일 권선에 흐르는 전류의 양에 비례합니다. 동일한 전류가 흐르는 추가 와이어 층이 동일한 코일에 감겨 있으면 정자기장의 강도가 증가합니다.
따라서 코일의 자기장 강도는 코일의 암페어 회전수 에 따라 결정됩니다. 코일 내에서 와이어의 회전 수가 많을수록 주변의 정자기장의 강도가 커집니다.
그러나 코일에서 전류를 분리하고 빈 코어 대신 와이어 코일의 코어 내부에 막대 자석을 배치하여 이 아이디어를 뒤집으면 어떻게 될까요? 이 막대 자석을 코일의 "안"과 "밖"으로 움직이면 내부 자속의 물리적 움직임에 의해 코일에 전류가 유도됩니다.
마찬가지로, 막대 자석을 정지 상태로 유지하고 자기장 내에서 코일을 앞뒤로 움직이면 코일에 전류가 유도됩니다. 그런 다음 와이어를 움직이거나 자기장을 변경하여 코일 내에 전압과 전류를 유도할 수 있으며 이 과정은 전자기 유도 로 알려져 있으며 변압기, 모터 및 발전기 작동의 기본 원리입니다.
전자기 유도는 1830년대 마이클 패러데이(Michael Faraday) 에 의해 처음 발견되었습니다 . 패러데이는 영구 자석을 코일이나 단일 루프의 와이어 안팎으로 움직일 때 Electro Motive Force ( EMF) , 즉 전압이 유도되어 전류가 생성된다는 사실 을 발견 했습니다 .
그래서 마이클 패러데이(Michael Faraday)가 발견한 것은 배터리가 아닌 자기장의 힘만을 사용하여 회로에 전류를 생성하는 방법이었습니다. 이는 전기와 자기를 연결하는 매우 중요한 법칙 인 패러데이의 전자기 유도 법칙 으로 이어집니다 . 그럼 이것은 어떻게 작동하나요?.
아래에 표시된 자석이 코일 "쪽으로" 이동하면 기본적으로 매우 민감한 중심 영점 이동 코일 전류계인 검류계의 포인터 또는 바늘이 중심 위치에서 한 방향으로만 편향됩니다. 자석이 움직이지 않고 코일에 대해 고정되어 있으면 자기장의 물리적 움직임이 없기 때문에 검류계의 바늘이 다시 0으로 돌아갑니다.
마찬가지로, 자석이 코일에서 다른 방향으로 "멀리" 이동하면 검류계의 바늘이 첫 번째 바늘과 반대 방향으로 편향되어 극성의 변화를 나타냅니다. 그런 다음 자석을 코일을 향해 앞뒤로 움직이면 검류계의 바늘이 자석의 방향 움직임에 대해 왼쪽이나 오른쪽, 양수 또는 음수로 편향됩니다.
움직이는 자석에 의한 전자기 유도
마찬가지로, 이제 자석이 고정되어 있고 코일만 자석 쪽으로 또는 자석에서 멀어지면 검류계의 바늘도 어느 방향으로든 편향됩니다. 그런 다음 자기장을 통해 코일 또는 와이어 루프를 움직이는 동작은 코일에 전압을 유도하며, 이 유도된 전압의 크기는 이동 속도에 비례합니다.
그러면 자기장의 움직임이 빠를수록 코일에 유도된 EMF 또는 전압이 더 커진다는 것을 알 수 있습니다. 따라서 패러데이의 법칙이 성립하려면 코일과 자기장 사이에 "상대적 운동" 또는 움직임이 있어야 하며 자기장, 코일 또는 둘 다 움직일 수 있습니다.
패러데이의 유도 법칙
위의 설명을 통해 우리는 마이클 패러데이(Michael Faraday)의 유명한 전자기 유도 법칙인 전기 전압과 변화하는 자기장 사이에 관계가 존재한다고 말할 수 있습니다. " 도체와 자기 사이에 상대 운동이 존재할 때마다 회로에 전압이 유도됩니다." 장과 이 전압의 크기는 자속의 변화율에 비례한다는 것입니다.”
즉, 전자기 유도는 자기장을 사용하여 전압을 생성하고 폐쇄 회로에서는 전류를 생성하는 과정입니다.
그렇다면 자력만으로 코일에 얼마나 많은 전압(emf)을 유도할 수 있을까요? 이는 다음 3가지 요소에 의해 결정됩니다.
- 1). 코일의 와이어 권수 증가 – 자기장을 통과하는 개별 도체의 양을 증가시킴으로써 생성된 유도 EMF의 양은 코일의 모든 개별 루프의 합이 됩니다. 코일에는 와이어 한 개보다 유도 EMF가 20배 더 많습니다.
- 2). 코일과 자석 사이의 상대 운동 속도 증가 – 동일한 와이어 코일이 동일한 자기장을 통과했지만 속도나 속도가 증가하면 와이어는 더 빠른 속도로 자속선을 절단하여 더 많은 유도 EMF를 발생시킵니다. 생산될 것입니다.
- 삼). 자기장의 강도 증가 – 동일한 와이어 코일이 더 강한 자기장을 통해 동일한 속도로 이동하면 절단해야 할 힘의 선이 더 많기 때문에 더 많은 EMF가 생성됩니다.
위 다이어그램에서 자석을 멈추지 않고 일정한 속도와 거리로 코일 안팎으로 움직일 수 있다면 하나의 양극과 음극 사이를 번갈아 교번 또는 AC 출력을 생성하는 연속 유도 전압이 생성됩니다. 전압은 발전기가 발전기 및 자동차 교류 발전기에 사용되는 것과 유사하게 작동하는 방식의 기본 원리입니다.
자전거 발전기와 같은 소형 발전기에서는 고정 코일 내부의 자전거 바퀴의 작용으로 작은 영구 자석이 회전합니다. 대안으로, 고정 DC 전압으로 구동되는 전자석은 두 경우 모두 교류 전류를 생성하는 대형 발전기와 같이 고정 코일 내부에서 회전하도록 만들어질 수 있습니다.
자기유도를 이용한 간단한 발전기
위의 간단한 발전기 유형 발전기는 회전 자기장 옆에 배치된 와이어 코일과 함께 중앙 샤프트를 중심으로 회전하는 영구 자석으로 구성됩니다. 자석이 회전함에 따라 코일 상단과 하단 주변의 자기장은 북극과 남극 사이에서 끊임없이 변화합니다. 이러한 자기장의 회전 운동으로 인해 패러데이의 전자기 유도 법칙에 정의된 바와 같이 교번 EMF가 코일에 유도됩니다.
전자기 유도의 크기는 자속 밀도( β) , 도체의 전체 길이를 제공하는 루프 수( 미터 단위) 및 도체 내에서 자기장이 미터/초 단위로 변경되는 속도 또는 속도( ν) 에 정비례합니다. 또는 m/s, 운동 EMF 표현으로 제공:
패러데이의 운동 EMF 표현
도체가 자기장에 대해 직각(90°)으로 움직이지 않으면 위의 식에 각도 θ°가 추가되어 각도가 증가함에 따라 출력이 감소합니다.
렌츠의 전자기 유도 법칙
패러데이의 법칙에 따르면 도체에 전압을 유도하는 방법은 도체를 자기장에 통과시키거나 도체를 지나 자기장을 이동시킴으로써 수행할 수 있으며, 이 도체가 폐쇄 회로의 일부인 경우 전류가 흐를 것입니다. 이 전압은 유도 전류의 방향(또는 유도 EMF의 극성)을 알려주는 패러데이 법칙의 음수 부호와 함께 전자기 유도로 인해 변화하는 자기장에 의해 도체에 유도되므로 유도 EMF 라고 합니다.
그러나 변화하는 자속은 코일을 통해 다양한 전류를 생성하며 전자석 튜토리얼에서 본 것처럼 자체 자기장을 생성합니다. 이 자기 유발 EMF는 이를 유발하는 변화에 반대하며 전류 변화율이 빠를수록 반대 EMF는 더 커집니다. 이 자기 유도 EMF는 렌츠의 법칙에 따라 코일의 전류 변화에 반대되며 방향 때문에 이 자기 유도 EMF를 일반적으로 역기전력이라고 합니다 .
렌츠의 법칙은 "유도된 EMF의 방향은 항상 이를 유발하는 변화에 반대되는 방향입니다"라고 말합니다 . 즉, 유도 전류는 처음에 유도 전류를 시작한 동작이나 변화에 항상 반대하며 이 아이디어는 인덕턴스 분석에서 찾을 수 있습니다.
마찬가지로, 자속이 감소하면 유도 EMF는 원래 자속에 추가되는 자속을 생성하고 유도하여 이러한 감소에 반대합니다.
렌츠의 법칙은 유도 전류의 흐름 방향을 결정하는 전자기 유도의 기본 법칙 중 하나로 에너지 보존 법칙과 관련이 있습니다.
우주에 존재하는 에너지의 총량은 항상 일정하다는 에너지 보존의 법칙에 따르면, 에너지는 생성되거나 소멸되지 않습니다. 렌츠의 법칙은 마이클 패러데이(Michael Faraday)의 유도 법칙에서 파생되었습니다.
전자기 유도에 관한 렌츠의 법칙에 대한 마지막 설명입니다. 이제 우리는 도체와 자기장 사이에 상대 운동이 존재할 때 도체 내에서 EMF가 유도된다는 것을 알고 있습니다.
그러나 도체는 실제로 코일 전기 회로의 일부가 아닐 수 있지만 코일의 철심 또는 시스템의 다른 금속 부분(예: 변압기)일 수 있습니다. 시스템의 이 금속 부분 내에서 유도된 EMF는 순환 전류를 발생시키고 이러한 유형의 코어 전류를 와전류( Eddy Current) 라고 합니다 .
전자기 유도에 의해 생성된 와전류는 코일 코어 또는 자기장 내부의 연결 금속 구성 요소 주위를 순환합니다. 왜냐하면 자속의 경우 와이어의 단일 루프처럼 작동하기 때문입니다. 와전류는 시스템의 유용성에 아무런 기여를 하지 않지만 대신 코어 내에서 저항 가열과 전력 손실을 생성하는 음의 힘처럼 작용하여 유도 전류의 흐름에 반대합니다. 그러나 강자성 금속을 가열하고 녹이는 데 와전류만 사용하는 전자기 유도로 응용 분야도 있습니다.
변압기에서 순환하는 와전류
위 변압기의 철심에서 변화하는 자속은 1차 및 2차 권선뿐만 아니라 철심에서도 EMF를 유도합니다. 철심은 좋은 도체이므로 단단한 철심에 유도되는 전류는 커집니다. 더욱이, 와전류는 렌츠의 법칙에 따라 1차 코일에 의해 생성된 자속을 약화시키는 방향으로 흐릅니다. 결과적으로 주어진 B 필드를 생성하는 데 필요한 1차 코일의 전류가 증가하므로 히스테리시스 곡선은 H 축을 따라 더 두꺼워집니다.
철심 적층
와전류 및 히스테리시스 손실을 완전히 제거할 수는 없지만 크게 줄일 수는 있습니다. 변압기나 코일의 자기 코어 재료로 단단한 철심을 사용하는 대신 자기 경로가 "적층"됩니다.
이러한 적층은 견고한 코어를 생성하기 위해 함께 결합된 매우 얇은 절연 금속 스트립(보통 바니시 포함)입니다. 적층은 철심의 저항을 증가시켜 와전류 흐름에 대한 전반적인 저항을 증가시켜 코어에 유도된 와전류 전력 손실을 감소시킵니다. 이것이 바로 변압기의 자기 철 회로가 전기 기계는 모두 적층되어 있습니다.