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페러데이 전자기 유도법칙은 중학교 물리시간부터 많이 듣던 말이지만, 난해하고 어려운 것은 여전한 것 같습니다.
전자기 유도는 변화하는 자기장이 어떻게 전도체에 전류를 발생시킬 수 있는지를 설명하는 물리학의 기본 원리입니다. 이 현상은 1830년대 마이클 패러데이가 처음 발견했습니다.
그 이후로 이 원리는 다양한 기술의 발전에 중요한 역할을 해오고 있습니다.
전자기 유도의 기본 원리를 간단히 짚어보고, 그 응용을 이해하는데 도움이 되는 많은 예시를 정리해보았습니다.
전자기 유도의 기본 원리
전자기 유도는 두 가지 주요 원리에 기반을 두고 있습니다
패러데이의 전자기 유도 법칙
이 법칙은 닫힌 고리를 통한 자속의 변화가 고리에 기전력(EMF)이나 전압을 유도한다는 것을 의미합니다.
수학적으로 다음과 같이 나타낼 수 있습니다:
EMF=− dΦ/ dt
기전력(EMF)은 유도 전압이고,
Φ, φ(phi)는 자속이며
dt는 시간의 변화를 나타냅니다.
렌츠의 법칙
에밀 렌츠가 만든 이 법칙은 닫힌 고리에서 유도 전류의 방향이 그것을 만든 자속의 변화에 반대하는 방향이 된다는 것입니다. 렌츠의 법칙은 에너지 보존 법칙의 결과입니다.
적용제품 및 예제
전기 발전기
전자기 유도의 대표적인 예는 전기 발전기입니다. 보통 철사로 된 코일 형태의 전도체가 자기장 안에서 회전하면 변하는 자속은 철사 안에 전류를 유도합니다. 이 전류는 가정에 전력을 공급하는 것부터 발전소에서 전기를 생산하는 것까지 다양한 용도로 사용되고 있습니다.
변압기
변압기는 교류(AC)의 전압을 변화시키기 위해 전자기 유도를 사용하는 장치입니다. 그것들은 근접하게 배치된 1차 코일과 2차 코일, 두 개의 와이어 코일로 구성되어 있습니다. 1차 코일의 전류가 변할 때, 그것은 2차 코일에 전압을 유도합니다. 변압기는 전압 레벨을 올리거나 내리기 위해 전력 분배에 사용되어 효율적인 전기의 전달과 분배를 가능하게 합니다.
무선 충전
스마트폰 등의 무선 충전 패드는 전자기 유도를 이용해 패드에서 기기로 전력을 전달합니다. 기기를 패드 위에 올려놓으면 변화하는 자기장이 기기에 전류를 유도해 배터리를 충전합니다.
유도 가열
유도 가열은 금속 경화에서 요리에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 사용됩니다. 교대 자기장이 생성되고 이 자기장 안에 금속 물체가 놓이면 금속에 와전류가 유도되어 가열로 이어집니다. 예를 들어 유도 쿡탑은 전자기 유도를 통해 요리 용기를 직접 가열합니다.
마그네틱 카드 판독기
신용카드와 액세스 카드에는 암호화된 정보를 포함하는 자기 줄무늬가 있는 경우가 많습니다. 카드 리더를 통해 카드를 긁으며 변화하는 자기장이 자기 줄무늬에 전류를 유도하여 카드 리더가 정보를 해독할 수 있습니다.
와전류 브레이크
일부 열차와 롤러코스터에서는 제동을 위해 와전류 브레이크가 사용됩니다. 열차나 코스터가 금속 선로 위를 이동할 때 강한 자석이 선로에 와전류를 유도하여 저항을 발생시키고 차량 속도를 줄입니다.
와전류 정렬
전자기 유도는 재활용 공정과 같은 물질 분류에 사용됩니다. 컨베이어 벨트는 자기장 위로 물질을 운반합니다. 알루미늄과 같은 전도성 물질은 와전류를 유도하여 비전도성 물질로부터 반발 및 분리되도록 합니다.
와전류 테스트
비파괴 검사에서 와전류 탐침은 금속과 같은 전도성 물질의 결함이나 균열을 감지하는 데 사용됩니다. 물질의 전도도가 변화하면 와전류가 변하므로 감지하고 분석할 수 있습니다.
자기 유도 센서
자기유도센서는 근접센서, 금속검출기, 속도센서 등 다양한 응용분야에 사용되고 있으며, 이들 센서는 물체의 존재 또는 금속의 움직임에 의한 자기장의 변화를 감지하여 제어 및 자동화 시스템에 귀중한 정보를 제공합니다.
파워 하베스팅
전자기 유도는 진동과 같은 주변 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위해 전력 수확 시스템에 사용됩니다. 이것은 특히 원격지에 있는 작은 전자 장치에 전원을 공급하는 데 유용합니다.
정리하면 전자기 유도는 전기의 생성과 분배에서부터 운송, 제조, 감지에 이르기까지 광범위한 기술 분야에서 적용되어 왔습니다. 다양한 응용제품을 만드는 기본 개념으로 현대 물리학 기본입니다. 우리의 일상을 형성하는 수많은 혁신을 가능하게 해 주었습니다.