자기(magnetism)란 자기장(magnetic field)에 의해 생성되는 물리 현상이다. 전기 전류와 자석이 자기장을 만들고, 이 자기장이 주변 물체에 힘을 가한다.
쿨롱의 법칙 (자기)
자석에는 N극과 S극 두 개의 자극(magnetic pole)이 있다. 자력선은 N극에서 나와 S극으로 들어가며, 같은 극끼리는 척력, 다른 극끼리는 인력이 작용한다. 자극의 세기(자하량)는 웨버[Wb] 단위를 쓴다.
두 자극 사이에 작용하는 힘은 전기의 쿨롱 법칙과 같은 형태이다.
F = (1/4πμ₀) × (m₁m₂/r²) [N]- m₁, m₂: 자극의 세기 [Wb]
- μ₀: 진공 중의 투자율, 4π × 10⁻⁷ [H/m]
- μ = μ₀μᵣ: 매질의 투자율. μᵣ은 비투자율로 매질에 따라 달라진다.
전기의 쿨롱 법칙에서 전하량 Q와 유전율 ε₀가 쓰이는 자리에, 자하량 m과 투자율 μ₀가 대응된다.
자기유도와 자성체
자기유도(magnetic induction)는 자석 근처로 물체를 가져가면 그 물체가 자석이 되는 현상이다. 이렇게 물체가 자성을 띠는 것을 자화(magnetization)라 한다. 자기유도에 의해 자성을 띠는 물질을 자성체(magnetic substance)라 부르며, 자화 특성에 따라 세 종류로 나뉜다.
- 강자성체(ferromagnetic): 자기유도에 의해 강한 자성을 띤다. 외부 자석을 제거해도 자화 상태가 유지되는데, 이를 잔류자기(remanent magnetization)라 한다. 영구자석이 만들어지는 원리이다.
- 상자성체(paramagnetic): 외부 자석의 극과 반대 극으로 자화된다. 철, 크롬 등이 해당한다.
- 반자성체(diamagnetic): 외부 자석의 극과 같은 극으로 자화된다. 구리, 납, 아연 등이 해당한다.
자성의 원인
원자 내 전자의 궤도 운동과 스핀이 자기장을 형성한다. 하나의 원자를 작은 자석으로 생각할 수 있다. 강자성체에서는 전자 스핀이 집단적으로 같은 방향으로 정렬되어, 외부 자기장 없이도 자성이 유지된다.
자계와 자속
자계(magnetic field)
자극에 의한 자기력이 미치는 공간을 자계라 한다. 자극 m₁이 만드는 자계의 세기는 다음과 같다.
H = F/m = (1/4πμ₀)(m₁/r²) [A/m]자력선
자극의 힘이 작용하는 방향을 따라 그린 연속적인 선이다. N극에서 나와 S극으로 들어가고, 서로 교차하지 않는다. 정전계의 전기력선과 유사하며, 자력선수도 비슷한 형태로 구해진다.
자력선수 N = m/μ₀ (전기력선수 N = Q/ε₀ 와 대응)자속과 자속밀도
자속(magnetic flux)은 단위 정자극에서 나오는 자력선의 묶음이다. Φ = m [Wb]로 표현한다.
자속밀도(magnetic flux density)는 매질에 따른 자계의 세기를 나타낸다.
B = μ₀H [Wb/m²] 또는 [T]전속밀도 D = ε₀E와 같은 구조이다. 전기에서 유전율 ε₀가 하는 역할을 자기에서는 투자율 μ₀가 한다.
전류에 의한 자기작용
1819년 에르스텟(Oersted)은 전류가 흐르는 도체 근처에서 자침이 움직이는 것을 발견했다. 전류가 자기장을 만든다는 사실이 처음 확인된 순간이다.
전류와 자계의 관계는 오른나사의 법칙(앙페르의 회로 법칙)으로 정리된다. 전류가 흐르는 방향으로 오른나사를 돌리면 나사가 진행하는 방향이 자계의 방향이다.
- 직선 도체: H = I/(2πr) [A/m]
- 코일: H = NI/d [A/m] (N은 감은 횟수, d는 코일 지름)
- 무한 솔레노이드: H = NI [A/m] (N은 단위 길이당 권수)
자화곡선과 히스테리시스
강자성체에 자계를 인가하면 자속밀도가 증가하는데, 어느 시점 이후로는 자계를 아무리 강하게 해도 자속밀도가 더 이상 증가하지 않는다. 이를 자기포화(magnetic saturation)라 한다.
자계를 증가시켰다가 감소시키면 자속밀도는 원래 경로를 따라 돌아오지 않고 다른 경로를 그린다. 이 곡선을 히스테리시스 곡선(hysteresis curve)이라 한다. 자계를 0으로 만들어도 남아있는 자속밀도가 잔류자기(Br)이고, 잔류자기를 없애기 위해 역방향으로 가해야 하는 자계의 크기가 보자력(Hc)이다.
전자력과 전자유도
전자력
평등자계 내에 자계와 수직으로 전류가 흐르는 도체를 놓으면, 도체에 힘이 작용한다.
F = BIl [N] (자계와 수직일 때)F = BIl cosθ [N] (자계와 각도 θ를 이룰 때)이 힘의 방향은 플레밍의 왼손 법칙으로 구한다. 검지를 자속 방향, 중지를 전류 방향으로 놓으면 엄지가 가리키는 방향이 전자력의 방향이다. 전동기(모터)의 회전 방향을 결정할 때 쓰인다.
전자유도
도체를 관통하는 자속이 변하면 유도 기전력이 발생한다. 이것이 전자유도(electromagnetic induction)이다.
패러데이 법칙에 따르면 유도 기전력의 크기는 폐회로를 관통하는 자속의 시간 변화량에 비례한다. 렌츠의 법칙은 유도 기전력의 방향을 알려주는데, 코일 내 자속 변동을 방해하는 방향으로 기전력이 발생한다.
e = N(dΦ/dt) [V]발전기에서 기전력의 방향은 플레밍의 오른손 법칙으로 구한다. 왼손 법칙이 전동기(전기→운동)에 쓰이는 것과 대비된다.
인덕턴스
전류가 변하면 자속이 변하고, 자속이 변하면 유도 기전력이 발생한다. 인덕턴스(inductance)는 전류 변화에 의해 유도되는 기전력의 비례 상수이며, 단위는 헨리[H]이다. 인덕턴스를 이용한 소자를 인덕터라 한다.
참고
- 전기전자정보통신개론 2주차 강의