전자기 유도, electromagnetic induction

[전자기 유도의 정의]

 

 

전자기 유도(電磁氣誘導)는 변화하는 자속 속에 놓인 도체가 기전력을 생성하는 현상을 말하는 것으로, 이때의 기전력을 유기 기전력, 또는 유도 기전력이라고 하는데, 도체가 고리 모양으로 닫힐 때 기전력에 의해 전자가 흐르게 되어 유기 전류(유도 전류)가 형성된다.

 

일반적으로 영국의 물리학자 마이클 패러데이가 1831년에 전자기 유도 현상을 발견한 것으로 알려져 있지만, 프란체스코 잔테데스키가 1829년의 연구에서 이를 이미 예견했을 수도 있다. 패러데이는 폐회로에서 발생하는 기전력과 그 경로로 둘러싸인 곡면을 통과하는 자속의 변화율이 비례한다는 사실을 발견했는데, 이는 전도체로 둘러싸인 곡면을 통과하는 자속이 변할 때 닫힌 도체 안에서 전류가 흐른다는 것을 의미한다. 이는 자기장 자체가 변하거나 도체가 자기장을 통해 이동할 때 적용된다. 전자기 유도는 발전기, 유도전동기, 변압기 및 대부분의 기타 전기 장비 작동의 기초이다.

 

패러데이 전자기 유도 법칙은 전자기 유도에 의한 유도 기전력의 크기는 단위 시간당 자기 선속의 변화율과 코일의 감긴 횟수에 비례한다는 것인데, 이것은 다음과 같다.

여기서 E는 기전력으로 단위는 볼트(V)이고, N은 전선이 감긴 횟수, Φ는 자기 선속으로 단위는 웨버(Wb)이다.

 

이 법칙에서 자기선속의 변화율에 영향을 미치는 요소에는 면적의 변화와 자기장의 세기 변화가 있다. 이 중 하나만 변화하면 자기 선속의 크기는 변화하며 유도 기전력이 발생할 수 있다.

 

유도 기전력을 강하게 발생시키기 위해서는 자기 선속의 변화율 값을 키우는 방법이 주로 사용되는데, 다른 요소 값을 고정한 후에 면적의 변화율이나 자기장 세기 변화율의 크기를 크게 하여 큰 전력을 발생시킨다. 여기서 주의해야 할 점은 변화율이라는 것인데, 자기 선속이 커도 변화율이 작으면 큰 기전력은 발생하지 않는다.

 

전자기 유도에 의해 발생하는 기전력의 부호는 렌츠의 법칙을 통해 알 수 있다. 즉, 회로에 유도된 전류의 방향은 유도된 기전력을 발생시킨 자기장의 변화를 상쇄하는 방향이다. 즉, 회로에 기전력이 유도되고 유도된 전류가 흐르면 회로 주변에 다시 자기장이 형성되는데 그 자기장의 방향은 최초 기전력을 유도했던 자기장의 변화를 상쇄하는 방향이 된다

로렌츠 법칙을 활용하여 기전력을 새로운 식으로 나타낼 수 있다.

여기서 F는 로렌츠 힘을 나타낸다.

이는 직선이나 원형 전류 또는 솔레노이드에 의한 자기장에서 알아볼 수 있다.

 

 

 

[전자기 유도의 응용]

무궁무진하지만 대표적인 응용법은 발전기의 원리이다. 이 법칙으로 인해 우리가 전기를 공업적으로 쓸 수 있다고 해도 과언이 아니다! 대다수의 발전소는 증기 터빈을 사용하는데 연료를 태워 생기는 열에너지를 물을 가열하여 수증기로 만들어 그 수증기의 압력으로 터빈을 돌려 전기를 생산하는데 이 역학적 에너지가 바로 회로에 걸리는 자기선속의 변화를 만들어서 회로 내에 전기를 흐르게 만드는 것이다.

또한 변압기와 파워서플라이도 같은 원리인데, 두 코일을 가까이 두고, 각 코일마다 감긴 수를 조절하고 한쪽 코일에 교류 전류를 흘려주게 되면, 교류 전류의 변화로 인해 자기장이 형성이 되고, 이 자기장을 이용하여 전류가 흐르지 않는 맞은편 코일에서도 전자기 유도를 만들어 전류를 흐르게 하는 원리이다. 이때 각 코일에 걸리는 전압의 비는 감긴 코일 횟수의 비와 동일하다.

신용카드에 붙어있는 마그네틱 선도 전자기 유도를 이용한 것인데 특정한 규칙을 가지고 배열된 자석이 카드 리더기에 있는 코일을 통과하면서 코일에 전자기 유도를 일으켜 정보를 판독하는 방식이다.

요리 기구 중에서도 전자기 유도 현상을 이용하는 것이 있다. 바로 인덕션 레인지. 상판 하부에 설치된 코일에 교류를 흘려주면, 변하는 자기장이 만들어진다. 그 위에 전도성 용기를 올려두면, 전자기 유도 현상에 의해 와전류가 용기 바닥에 흐르게 된다. 이때, 용기 자체는 전기 저항이 존재하기 때문에 열이 발생하게 되고, 그 열로 음식물을 조리할 수 있게 되는 것이다. 그렇기 때문에 부도체인 뚝배기나 유리 냄비를 가지고 조리하려고 하면 효과가 나타나지 않는다.

반대로 통신용 케이블에서는 전자기 유도가 통신에 방해가 되므로 이를 억제하는 방법을 쓴다. 대표적으로 이더넷 케이블은 여덟 가닥 선을 나눠 두 가닥씩 꼬아놓고, 여기에 추가적으로 접지랑 은박, 십자 칸막이 같은 것을 넣기도 한다.

 

 

 

 

 

 

 

[definition of electromagnetic induction]

 

Electromagnetic induction refers to a phenomenon in which a conductor placed in a changing magnetic flux generates electromotive force, and this electromotive force is called organic electromotive force or induced electromotive force, and when the conductor is closed in a ring shape, electrons flow by electromotive force to form an organic current (induced current).

British physicist Michael Faraday is generally known to have discovered electromagnetic induction in 1831, but Francesco Zantedesky may have foreseen it in his 1829 study. Faraday discovered that the rate of change of the electromotive force generated in a closed circuit and the magnetic flux through the curved surface surrounded by its path is proportional, meaning that when the magnetic flux through the curved surface surrounded by conductors changes, a current flows in a closed conductor. This is applied when the magnetic field itself changes, or when the conductor moves through it. Electromagnetic induction is the basis for the operation of generators, inductive motors, transformers, and most other electrical equipment.


Faraday's law of electromagnetic induction states that the magnitude of the induced electromotive force by electromagnetic induction is proportional to the rate of change in magnetic flux per unit time and the number of coil windings, which is as follows.

Here, E is the electromotive force, unit is Volt (V), N is the number of times the wire is wound, Φ is the magnetic flux, and unit is Weber (Wb).


The factors that influence the rate of change in the magnetic flux in this law are the change in area and the intensity of the magnetic field. If only one of these changes, the magnitude of the magnetic flux changes and an induced electromotive force can be generated.


The method of increasing the rate of change of the magnetic flux is mainly used to generate the induced electromotive force strongly, and after fixing other element values, the size of the rate of change of the area or the rate of change of the magnetic field strength is increased to generate large power. One thing to note here is the rate of change, and even if the magnetic flux is large, if the rate of change is small, no large electromotive force is generated.


The sign of the electromotive force generated by electromagnetic induction can be seen through Lenz's law. In other words, the direction of the current induced in the circuit is the direction that offsets the change in the magnetic field that generated the induced electromotive force. In other words, when an electromotive force is induced in the circuit and the induced current flows, a magnetic field is formed again around the circuit, and the direction of the magnetic field is the direction that offsets the change in the magnetic field that initially induced the electromotive force

The Lorentz law can be used to represent the electromotive force in a new way.

Here, F represents the Lorentz force.

This can be seen from the magnetic fields caused by straight or circular currents or solenoids.

 

 

 

[ application of electromagnetic induction ]

 

The principle of a generator is an endless but typical application. It is no exaggeration to say that this law allows us to use electricity industrially! Most power plants use steam turbines, and the thermal energy generated by burning fuel is heated to water and turned into steam to generate electricity by turning the turbines under the pressure of the steam. This mechanical energy creates a change in the magnetic flux applied to the circuit, causing electricity to flow in the circuit.

The same principle applies to transformers and power supplies. When two coils are placed close together, the number of windings is adjusted for each coil, and an alternating current flows through one coil, a magnetic field is formed due to changes in the alternating current, and this magnetic field is used to generate electromagnetic induction in the opposite coil where no current flows. At this time, the ratio of the voltage applied to each coil is the same as the ratio of the number of winded coils.

Magnetic lead electromagnetic induction attached to credit cards is used, and magnets arranged with specific rules pass through the coil in the card reader, causing electromagnetic induction in the coil to read information.

Some cooking utensils use electromagnetic induction phenomenon. It is the induction range. When alternating current flows through the coil installed under the upper plate, a changing magnetic field is created. When a conductive container is placed thereon, an eddy current flows to the bottom of the container due to an electromagnetic induction phenomenon. At this time, since the container itself has electrical resistance, heat is generated, and food may be cooked with the heat. Therefore, if you try to cook with an earthen pot or a glass pot, which are nonconductors, it does not work.

Conversely, electromagnetic induction interferes with communication in communication cables, so they are used to suppress it. Typically, Ethernet cables are divided into eight-stranded lines and twisted into two strands, and additionally, ground, silver foil, and cross partitions are added to them.