| 일정한 자기장 내에 놓인 도선에 전류가 흐를 때, 도선이 받는 힘을 계산할 수 있다.
2. 플레밍의 왼손의 법칙을 설명할 수 있다.
2. 도선과 자석을 붙일 수 있일까?
그래서 전류가 흐르는 도선 주위에 가벼운 자석 혹은 자침을 놓으면 힘을 받아 움직이게 된다. 전류가 흐르는 도선도 역시 자기장으로부터 힘을 받는다. 도선에 작용하는 힘의 방향은 전류의 방향에 따라 달라지고, 전류의 세기가 달라지면 움직이는 정도도 달라진다. 이와 같이 자기장으로부터 전류가 흐르는 도선이 받는 힘을 전자기력이라고 한다. 아래 그림과 같이 말굽 자석안에 사각형의 코일을 넣은후 전류를 흘려 보내면 사각 코일이 힘을 받아 움직이는 것을 알 수 있다.
전류가 자기장에서 받는 힘의 방향은 그림과 같이 왼손의 엄지손가락, 둘째손가락, 셋째손가락을 서로 수직하게 폈을 때, 둘째손가락을 자기장, 셋째손가락을 전류의 방향으로 하면 엄지손가락이 가리키는 방향이 힘의 방향이 된다.
자기장내에서 전류가 받는 힘 F(N)는 자기장 B(T)와 전류의 세기 I(A)에 비례하고, 자기장 속에 들어 있는 도선의 길이 l(m)에 비례한다. 따라서, 자기장과 수직으로 놓인 길이가 1m인 도선에 1A의 전류가 흐를 때 전류가 받는 힘의 세기가 1N이면 이 때의 자기장은
전류와 자기장의 방향이
2.
두개의 곧고 긴 도선에 전류가 흐를 때 받는 힘을 설명할 수 있다. 도 입
두 도선은 서로 다른 전류에 의해 만들어진 자기장 속에 있게 되므로 두 도선은 서로 힘을 주고 받게 된다. 아래 그림과 같이 전류
a도선에 흐르는 전류
![]() 이런 자기장 내에 놓인 전류 가 흐르는 길이
도선 b가 받는 힘은 도선 a 쪽으로 작용하며, 그 크기
는 다음과 같다.![]() 이와 같이 도선 b에 흐르는 전류 는 a도선 상에 지면에서 나오는 방향의 자기장
를 만들며, 그 크기는 다음과 같다.![]() 이 자기장 에 놓인 전류
이 흐르는 길이
인 도선 a가 받는 힘은 도선 b쪽으로 작용하며 그 크기
은 다음과 같다.![]() 따라서, 전류가 흐르는 두 평행한 직선 도선 사이에 작용하는 힘 F는 다음과 같이 나타낼 수 있다. ![]() 이 전기력은 전류의 방향에 따라 인력, 척력이 작용한다. 두 직선의 전류 방향이 같으면 인력, 반대면 척력이 작용한다.
두 직선 도선 사이에 작용하는 힘을 이용하여 전류의 단위인 암페어(A)를 정하였다. 정 리
)
2. 균일한 자기장속의 하전입자의 운동을 설명할 수 있다.
2. 전하를 띠고 있는 물체가 공기중에서 빠른 속도로 운동을 하고 있다. 이 입자를 직접적으로 접촉하지 않고 공간중에 가두어 둘 수 있겠는가?
그러므로 전류는 전기를 띠고 있는 입자의 흐름이므로 자기장 속에서 운동하는 전하 역시 힘을 받아 운동하는 것이다. 아래 그림은 균일한 자기상 속에 전류가 흐르는 도선을 나타낸 것이다. 전하량이
![]() 은 다음과 같다.![]() 그러므로, 도선 내를 지나는 하나의 자유 전자가 받는 힘은 다음과 같이 나타낼 수 있다. ![]() 일반적으로 전하량
로렌츠의 힘은 입자가 자기장에 입사한 각도에 따라 다른 값을 가지게 된다. ![]()
옆의 그림은 대전된 입자가 균일한 자기장에 직각으로 입사된 그림을 나타낸 것이다. ![]() 가 된다.대전된 입자가 원운동을 하는 주기 T는 다음과 같이 나타낼 수 있다. ![]() 이것을 이용하여 만든 장치가 대전 입자의 가속장치인 사이클로트론이다.
)
2.
전자기력을 실제로 이용되고 있는 예를 들어 설명할 수 있다. 2. 전류계와 전압계 그리고 전동기의 원리를 설명할 수 있다. 도 입
2. 더운 여름에 가장 많이 사용하는 가전 제품은 아마 선풍기가 아닌가 생각된다. 그렇다면, 어떠한 원리를 이용하여 선풍기의 날개가 계속해서 돌아가는 것일까? 1)전류계
전류계는 그림과 같이 영구 자석의 두 극 사이에서 자유롭게 회전할 수 있는 원통형철심에 코일을 감아 부근의 자기장을 고르게 하는 가동 코일이 용수철에 연결되어 있다. 이 코일에 전류가 흐르면 자기장에 의하여 힘을 받아 전류에 비례하는 회전력이 생겨서 축에 고정된 나선형 용수철의 탄성력과 평형이 될 때까지 회전한다.
이 때, 코일의 회전각은 회전력에 비례하고, 또, 회전력은 전류의 세기에 비례하므로 회전각을 전류의 세기에 비례하도록 눈금을 만들면 미지의 전류값을 측정할 수 있다. 전류계는 가동 코일에 저항이 매우 작은 저항기를 병렬로 연결하여 대부분의 전류를 이 저항기로 흐르게 하고 전체 전류에 비례하는 일정한 전류만 가동 코일로 흐르게 한다. 2)전압계
전압계에 전류가 흐르면 이 저항기에 걸리는 전위차에 비례하는 전류가 가동 코일에 흘러서 코일이 회전하게 되고 그 회전 눈금이 전압을 나타내도록 정해서 사용한다. 이 때, 가동 코일에 직렬로 연결한 저항기를 배율기라고 한다.
3)전동기
전동기의 동작 원리는 전류계와 비슷하다. 가동 코일의 끝에 나선형 용수철 대신 정류자가 붙어 있어서 가동 코일이 계속 회전하도록 되어 있다.
![]() 그림에서와 같이 가동 코일에 전류 I가 흐르면 코일의 AB와 CD부분에는 플레밍의 왼손 법칙에 의해 전자기력 F가 작용한다. 이 때, 전류의 방향이 전과 같으면 코일을 전과 반대 방향으로 돌아가게 힘이 미치게 되므로, 코일면이 자기장과 직교하는 순간에 코일에 흐르는 전류의 방향을 바꾸어 주도록 정류자가 코일과 연결되어 있어 코일은 계속해서 같은 방향으로 돌아가게 된다. 코일에 흐르는 전류의 방향은 반 바퀴 회전할 때마다 바뀌게 되어 코일이 계속해서 일정한 방향으로 회전하는 것이다. 정 리
2. 전압계--아주 큰 저항이 코일과 직렬로 연결 되어있다. 3. 전동기--전류를 흘리면 도선에 흐른는 전류가 영구자석의 자기장 속에서 힘을 받아 회전하게 되는 것이다.
전자기 유도 현상에 대하여 설명할 수 있다. 2. 렌츠의 법칙에 대하여 설명할 수 있다. 3. 페러데이의 전자기 유도 법칙에 대하여 설명할 수 있다. 도 입
2. 막대 자석과 코일을 가지고 전기를 일으킬 수 있겠는가?
이러한 현상이 일어나는 이유는 코일의 주위에 자기장의 변화가 전류를 흐르게 하는 기전력을 발생시키기 때문이다. 이런 현상을 전자기 유도라하며 이 때, 흐르는 전류를 유도 전류라 하고, 유도 전류가 흐르는 것은 전위의 차이가 생기기 때문인데 이를 유도 기전력 또는 유도 전압이라 한다. 그림과 같이 자석의 N극을 코일에 접근시키면, 코일 속의 자기력선이 증가되는데, 이 때 유도 전류에 의한 자기력선은 증가하는 자기력선과 반대로 나타나는 것을 볼 수 있다.
또, N극을 코일에서 멀리 할 경우는 위의 경우와 반대의 현상이 나타나는데, 그것은 자극을 코일에서 멀어지게 하면 코일 속의 자기력선이 감소하게 되고, 유도 전류에 의한 자기력선은 자기력선이 감소하는 방향과 반대방향으로 나타나게 되어 유도 전류는 앞의 방향과 반대로 흐르게 되는 것이다. 자석을 코일에 접근시키면 유도 전류에 의해 발생되는 자기장은 자석이 접근하는 것을 방해하는 힘을 발생시킨다. 자석이 코일에서 움직이는 속도가 빠르면 더 많은 유도 전류가 흐른다. 패러데이는 이와 같은 현상을 관찰하여 발생하는 유도 기전력과 코일의 수, 그리고 변화하는 자속에 대하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다. ![]()
옆의 그림과 같이 ㄷ자 형의 도선 위에 길이가
![]() 정 리
2.
자체 유도 현상에 대하여 설명할 수 있다. 2. 자체 유도에 의해 발생되는 기전력을 계산할 수 있다. 도 입
그림은 코일과 네온등을 연결한 회로도이다. 코일에 흐르는 전류가 변화하게 되면, 자기장의 변화가 나타나게 된다. 자체 유도 역시 렌츠의 법칙에 따라 자속의 변화를 방해하는 방향으로 유도 기전력이 생긴다.
스위치를 열면 전류가 0이 되므로, 코일의 자속은 급속하게 감소되므로, 다시 유도 기전력은 이 감소를 방해하는 방향으로 발생된다. 또한, 스위치를 여는 순간에는 자속의 변화가 가장 크기 때문에 발생하는 유도 기전력이 가장 크다. 자체 유도에 의해 코일에 유도되는 유도 기전력
![]() 또, L은 비례상수로 자체 유도 계수 또는 자체 인덕턴스라고 한다. 자체 유도 계수의 단위는 헨리(H)를 쓴다. 정 리
2.
상호 유도 현상에 대하여 설명할 수 있다. 2. 상호 유도에 의해 발생되는 기전력을 계산할 수 있다. 3. 변압기의 원리에 대하여 설명할 수 있다. 도 입
2. 현재 가정에서 220V의 전류가 많이 들어온다. 그러나, 예전에는 110V의 전압이 가정용으로 보급되었다. 220V를 110V로 만드는 방법은 없을까?
그 후, 1차 코일에 연결된 스위치를 닫으면 인접해 있는 2차 코일에 전류가 발생하는 것을 알 수 있다. 이것은 1차 코일의 스위치를 닫으면 전류가 증가하게 되므로 2차 코일을 지나가는 자속이 증가하게 되므로, 2차 코일에서는 이 자속의 증가를 방해하는 방향으로 유도 기전력이 형성되어 전류가 흐르게 되는 것이다.
반대로, 1차 코일에 연결된 스위치를 여는 순간에도 2차 코일에는 유도 기전력이 형성되어 전류가 흐르게 된다. 상호 유도에 의해서 2차 코일에 형성되는 유도 기전력은 1차 코일에 흐르는 전류의 시간적 변화율에 비례한다. ![]() 여기서의 비례 상수 M을 상호 유도 계수 또는 상호 인덕턴스라 하며, 단위는 자체 유도와 같은 단위는 헨리(H)를 쓴다. 자체 유도 계수 역시 두 회로의 기하학적 모양, 감긴 수, 회로 주변의 물질의 종류에 의해 결정된다. 변압기는 그림과 같이 같은 철심에 1차 코일과 2차 코일이 같이 감겨 있다. 1차 코일에 흐르는 전류가 변화하게 되면 철심 내부를 통과하는 자속이 달라지고 이것은 2차 코일 내부에도 같은 크기만큼 자속의 변화가 생기게 되므로 이 변화를 방해하는 방향으로 유도 기전력이 형성되는 것이다. 1차 코일의 감은 수를
![]() 정 리
2.
|
이 된다.
임을 알 수 있다.
의 각을 이룰 때에 도선에 작용하는 힘은
이다.
,
가 같은 방향으로 흐르는 두 직선 도선 a,b가 거리 r만큼 떨어져 평행하게 놓여 있는 경우에 작용하는 힘에 대해 알아보도록 하자.
은 지면으로 들어가는 방향이고 그 크기는 다음과 같다.
도선 b가 받는 힘은 도선 a 쪽으로 작용하며, 그 크기
는 다음과 같다.
를 만들며, 그 크기는 다음과 같다.
은 다음과 같다.

,일 때, 각 도선에 흐르는 전류의 세기를 1A로 정의하였다.
인 자유 전자가,
의 속도를 가지고 t초 동안에 균일한 자기장 B에 수직으로 놓인, 길이
의 도선의 단면을 N개 통과를 한다고 하자.
은 다음과 같다.

로 대전된 입자가 자기장 B를 수직으로
가 된다.
로 입사하였다면, 이 입자가 받는 로렌츠 힘 F는 다음과 같다.

가 된다.

, 시간
동안 자속의 변화를
이라고 한다면 발생하는 유도 기전력
는 다음과 같다.
인 도체 막대가 접촉하여 있고, 여기에 균일한 자기장 B가 ㄷ자 형의 도선과 도체 막대가 만든 면에 수직으로 형성된다고 하자.
의 속도로
만큼 이동하였다고 하면, 자기력선이 통과하는 면적은
만큼 증가하게 된다.
이 되며, 이것은 코일이 한 번 감긴 것으로 볼 수 있다.
은 코일에 흐르는 전류의 시간적 변화율에 비례한다.
동안에
만큼의 전류가 변화하였다면 유도 기전력

의 시간동안에 흐르는 전류가
만큼 변화한다면, 2차 코일에 발생하는 유도 기전력
는 다음과 같다.
, 공급되는 교류의 기전력을
이라 하고, 2차 코일의 감은 수를
, 유도되는 기전력을
