전자기 유도
(1) 전자기 유도: 코일 주위에서 자석을 움직이면 코일에 전류가 흐른다. 이것은 자석의 운동에 의해 코일을 통과하는 자기 선속이 변하기 때문이다. 이와 같이 코일을 통과하는 자기 선속이 변할때 코일에 전류가 흐르는 현상을 전자기 유도라 하고, 이때 흐르는 전류를 유도 전류라고 한다.
(2) 자기 선속(자속): 자기장의 세기와 자기장이 수직으로 통과하는 닫힌 면의 면적의 곱을 자기 선속이라고 한다. 자기 선속은 자기장의 세기가 클수록, 자기장이 통과하는 면적이 클수록 크다. 자기장의 세기, 자기장이 통과하는 닫힌 면의 넓이, 또는 면의 법선과 자기장이 이루는 각이 변하면 자기 선속이 변한다. 면의 법선과 자기장의 방향이 이루는 각이 θ, 면의 면적이 A, 자기장의 세기가 B일 때 자기 선속(Φ)은 다음과 같다.
(3) 유도 전류와 유도 기전력
① 유도 전류: 전자기 유도에 의해 코일에 흐르는 전류를 유도 전류라고 한다.
② 유도 기전력: 전자기 유도에 의해 유도 전류를 흐르게 하는 기전력을 유도 기전력이라고 한다.
(4) 렌츠 법칙: 유도 전류는 코일을 통과하는 자기 선속의 변화를 방해하는 방향으로 흐르며,이를 렌츠 법칙이라고 한다.
(5) 유도 전류의 방향
① 그림 (가)와 같이 자석의 N극을 솔레노이드에 가까이 접근시키면 솔레노이드 내부를 지나는 자기 선속이 증가한다. 렌츠 법칙을 적용하면 유도 전류는 자기 선속이 증가하는 것을 방해 하기 위해 B → Ⓖ → A 방향으로 흐른다.
② 그림 (나)와 같이 자석의 N극이 솔레노이드에서 멀어지면 솔레노이드 내부를 지나는 자기 선속이 감소한다. 렌츠 법칙을 적용하면 유도 전류는 자기 선속이 감소하는 것을 방해하기 위해 A → Ⓖ → B 방향으로 흐른다.
(6) 패러데이 법칙: 전자기 유도에 의해 유도 전류가 흐르는 것은 코일에 기전력이 발생하기 때문이다. 이처럼 전자기 유도에 의해 코일에 발생하는 기전력을 유도 기전력이라고 한다. 유도 기전력은 코일의 감은 수 N과 자기 선속의 시간에 따른 변화율 ΔΦ/Δt에 각각 비례하고, 유도 기전력의 방향은 자기 선속의 변화를 방해하는 방향이다. 유도 기전력 V는 다음과 같다.
(7) 자석이 솔레노이드 안을 통과할 때 유도되는 기전력: 그림과 같이 N극이 아래로 향하게 하여 자석을 떨어뜨리면 N극이 솔레노이드에 가까워지면서 솔레노이드에는 자석의 운동을 방해하는 위쪽 방향의 자기장을 유도하는 기전력이 발생한다. 반대로 자석의 S극이 빠져나갈 때는 솔레노이드에 아래쪽 방향의 자기장을 유도하는 기전력이 발생한다.
전자기 유도의 예
(1) 도선의 운동에 의한 전자기 유도: 한 변의 길이가 l이고 전기 저항이 R인 정사각형 도선이 세기가 B이고 종이면에 수직으로 들어가는 방향의 균일한 자기장 영역에 들어가고 있다.
① 유도 전류의 방향: 정사각형 도선을 통과하는 자기 선속이 증가하므로 렌츠 법칙에 의해 정사각형 도선에는 시계 반대 방향으로 유도 전류가 흐른다.
(2) ㄷ자형 도선에서의 전자기 유도: 세기가 B인 균일한 자기장 영역에서 자기장 방향에 수직으로 놓인 전기 저항이 R인 저항이 연결된 ㄷ자형 도선 위에서 금속 막대를 일정한 속력 v로 운동시킨다.
(3) 자기장의 변화에 의한 전자기 유도: 도선 내부를 통과하는 자기장의 세기가 시간에 따라 변할 때 도선에 유도 전류가 흐른다.
(4) 전자기 유도의 이용
① 발전기: 외부 에너지를 이용하여 코일을 회전시키면 코일면을 통과하는 자기 선속이 시간에 따라 계속 변한다. 이때 브러시의 축에 접촉시킨 금속(집전 고리)을 통해 유도 전류가 흐른다.
② 전기 기타: 픽업 장치의 자석에 의해 자기화된 기타 줄이 진동하면 코일 속을 통과하는 자기 선속이 변하기 때문에 코일에 전류가 유도되어 전기 신호가 발생한다. 이 전기 신호를 증폭하여 스피커를 진동시키면 소리가 발생한다.
상호유도
(1) 상호유도: 한쪽 코일에 흐르는 전류의 변화에 의한 자기 선속의 변화로 근처에 있는 다른 코일에서 유도 기전력이 발생하는 현상이다.
(2) 상호 인덕턴스(M): 2차 코일의 감은 수가 N2이고 Δt 동안 1차 코일에 흐르는 전류가 ΔI1만큼 변할 때, 2차 코일에 생기는 유도 기전력 V는 다음과 같다.
(3) 교류에 의한 상호유도: 그림과 같이 1차 코일에 교류가 공급되면 2차 코일을 통과하는 자기 선속이 연속적으로 변하고, 이에 따라 2차 코일에는 상호유도에 의해 유도 전류가 흐른다.
변압기
(1) 변압기: 1차 코일과 2차 코일을 동일한 철심에 감아 두 코일 사이에 상호유도가 잘 일어나게 한 것으로, 1차 코일과 2차 코일의 감은 수의 비에 따라 전압을 변화시키는 장치이다.
상호유도의 이용
(1) 금속 탐지기: 금속 탐지기에서 전송 코일에 의해 생성된 자기 선속이 주변에 있는 금속에 의해 변하기 때문에 수신 코일에 흐르는 전류가 변한다. 이것을 감지하여 금속을 찾을 수 있다.
(2) 스마트폰 무선 충전기: 충전 패드에 있는 1차 코일에 교류 전원이 연결되면 스마트폰에 있는 2차 코일에서 유도 기전력이 발생하여 충전한다.
(3) 고압 방전 장치: 자동차에서 연료에 불을 붙이는 데 사용되는 고압 방전 장치는 두 금속 사이에 순간적으로 큰 전압을 걸어 방전이 일어나도록 하는 장치로, 1차 코일에 전류를 흐르게 하다가 갑자기 끊으면 상호유도에 의해 2차 코일에 유도 기전력이 발생한다. 이때 유도 기전력이 충분히 크면 2차 코일에 연결된 두 금속 사이에서 불꽃이 튀는 방전 현상이 나타난다.
참고자료: EBS 수능특강 물리2
