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심야식당
자기장이 변하면 왜 회로에 전압이 생기나요?
코일을 통과하는 자기선속이 변할 때 유도기전력이 생긴다고 배우는데, 자기장 자체가 아니라 변화가 전기를 만드는 이유가 궁금합니다.
6개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 최정훈 전문가입니다.
자기장이 그냥 가만히 머물러 있으면 전선 안에서 전자들이 움직일 힘이 안 생깁니다. 왜냐하면은 전자를 밀어내려는 공간에 변화나 자극이 계속 가해져야 되기 때문입니다. 하지만 자기장이 변하면 주변 공간의 소용돌이 같은 전기장이 만들어집니다. 그래서 이 전기장이 전자들을 밀어내면서 전압이 생깁니다.
결국에는 전기는 자기장 크기가 아니라 얼마나 빠르게 변하느냐에 따라 달려 있습니다. 왜냐하면은 변화가 딱 멈추는 순간 새로 생기던 전기장도 바로 사라지기 때문이죠. 그리고 전자의 이동도 멈춰서 전압이 소멸해 버립니다. 따라서 전압을 계속 유지하려면 자기선속이 끊임없이 흔들려야 합니다.
채택된 답변안녕하세요. 강세훈 전문가입니다.
자기장의 변화가 소용돌이 전기장을 만들어 전자를 움직이기 때문에 전압이 생기며 정지한 자기장은 전자에 힘을 주지 못한답니다.
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
자기장이 공간에 정지해 있을 때는 전자들이 평형 상태를 유지하여 전류가 흐르지 않지만 자기장이 시간에 따라 변할 때는 상황이 완전히 달라집니다. 맥스웰-패러데이 방정식에 따르면 시간에 따라 변하는 자기장은 그 주위에 회전하는 형태의 유도 전기장을 새롭게 생성합니다. 이 새롭게 유도된 전기장은 도체 내부의 자유전자들에게 힘을 가해 회로를 따라 한쪽 방향으로 강제로 이동시키기 시작합니다 즉 정적인 자기장 자체는 전자에 일을 할 수 없지만 자기장의 변화는 직접적인 전기장을 만들어내어 전자를 움직입니다. 패러데이의 전자기 유도 법칙에서 말하는 자기선속의 변화율 역시 이 유도 전기장이 회로 전체에 걸쳐 누적되어 나타나는 현상입니다. 결국 변화하는 자기장이 에너지를 공급하여 전압을 유발하는 원동력이 되므로 정지한 자기장과 달리 변화할 때만 회로에 전기가 만들어지는 것입니다
안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
자기장이 전하에 주는 힘은 F = qv×B라서, 전하가 움직이지 않으면 아무리 센 자기장 속에 있어도 힘을 받지 않아요. 정지한 자석 옆에 가만히 놓인 코일 속 전자는 밀리지 않으니 전류도 생기지 않아요.
코일이 자석 쪽으로 움직이면 코일 속 전자도 함께 움직이니 qv×B 힘을 받아 도선을 따라 밀려나요. 반대로 코일은 가만히 두고 자석을 움직이면 전자는 정지해 있는데도 전류가 흘러요. 이건 맥스웰 방정식의 하나인 ∇×E = −∂B/∂t로 설명돼요. 자기장이 시간에 따라 변하는 곳에는 그 주변을 소용돌이처럼 감싸는 전기장이 새로 생기고, 이 전기장이 정지한 전자를 코일을 따라 밀어요. 이 소용돌이 전기장은 도선이 없어도 생기고, 한 바퀴 돌면 다시 출발점으로 와도 일을 계속 해주는 점이 전지의 전기장과 달라요.
에너지로 봐도 앞뒤가 맞아요. 일정한 자기장만으로 전류가 계속 흐른다면 아무 대가 없이 전기를 얻는 영구기관이 되지만, 실제로는 자석을 움직이거나 전류를 바꾸는 데 들인 일이 전기 에너지로 넘어가요. 유도 전류는 렌츠 법칙대로 그 변화를 방해하는 방향으로 흘러, 자석을 밀어넣을수록 저항하는 힘을 느껴요.
직류는 켜고 끄는 순간 말고는 자기선속이 변하지 않아서, 변압기는 교류에서만 전압을 바꿀 수 있어요 :)
안녕하세요.
자기장이 변하면 주변 공간에 전기장이 생기고, 이 전기장이 도선 속 전하를 움직이게 하면서 전압이 유도돼요. 반대로 자기장이 일정하게 유지되면 이런 유도 효과가 나타나지 않죠.
코일을 통과하는 자기선속이 빠르게 변할수록 유도되는 전압 또한 커지는데, 발전기에서 코일이나 자석을 계속 회전시키는 것도 자기선속을 반복해서 변화시키기 위함이에요.
결국 전기를 만들어 내는 핵심은 자기장이 존재한다는 사실보다는 자기장이 시간에 따라 변한다는 점이죠.
감사합니다.
안녕하세요. 박재화 전문가입니다.
전압이라는 것은 전위 차이를 의미합니다. 자기장일 일정하게 유지되면 코일 속 전자 입장에서는 계속 같은 환경이기 때문에 전자를 한쪽으로 움직이게 할 새로운 힘이 생기지 않습니다.
반대로 코일을 지나는 자기장이 변하게 되면 주변 공간에 회전하는 형태의 전기장이 만들어지고, 이 전기장이 코일 속 전자를 움직이게 합니다. 이러한 현상이 패러데이의 전자기 유도현상이고, 유도되는 전압은 자기선속이 얼마나 빠르게 변하는지에 따라 비례해서 변화합니다.
자기선속은 자기장의 세기 뿐 아니라 코일의 면적이나 자기장과 코일이 이루는 각도가 변해도 달라질 수 있는데, 자석을 코일 옆에 가만히 두면 전압이 생기지 않지만, 자석을 움직이거나 자기장의 세기를 바꾸면 전압이 발생하게 됩니다.
전기를 만드는 핵심은 자기장 자체가 아닌 자기선속의 변화가 새로운 전기장을 만들어 전자를 움직이게 한다는 점입니다.