물리학 고2 전기와 자기

전자기 유도

Q: N극 대신 S극을 넣으면 어떻게 되나요?

전류의 방향이 반대가 됩니다. 크기는 같은 속도라면 같습니다. 방향을 정하는 규칙이 렌츠 법칙이고, 요지는 '유도 전류는 자신을 만든 변화를 방해하는 쪽으로 흐른다'는 것입니다.

자기 선속이 변할 때 기전력이 유도되는 패러데이·렌츠 법칙을 발전기·무선충전·무선통신에 적용한다. (12물리02-06)

코일을 지나는 자기 선속이 변할 때 코일에 기전력이 생겨 전류가 흐르는 현상입니다.

자석을 코일에 가만히 넣어 두면 아무 일도 없지만, 넣거나 빼는 '동안'에만 전류가 흐릅니다. 전기를 만드는 것은 자석의 존재가 아니라 자석의 '움직임', 즉 변화입니다.

쉽게 말하면

자기장과 전동기에서는 전류를 흘려 자기장 속에서 힘을 얻었습니다. 전자기 유도는 그 반대입니다 — 자기장 속에서 코일을 움직이면 전류가 생깁니다. 전동기를 거꾸로 돌리면 발전기가 되는 이유가 여기에 있습니다.

핵심 변수는 자기 선속 $Φ$ 입니다. 자기장 $B$ 가 넓이 $A$ 인 면을 수직으로 지날 때 $Φ = B A$ 이고, 면이 기울어져 있으면 $Φ = B A cos θ$ 입니다. 자기장선이 그 면을 몇 가닥이나 뚫고 지나가는지를 센 값이라고 생각하면 됩니다.

유도가 일어나려면 이 $Φ$ 가 '변해야' 합니다. 변하게 하는 방법은 세 가지뿐입니다. 자기장 $B$ 를 바꾸거나(자석을 가까이/멀리), 면적 $A$ 를 바꾸거나(코일을 늘리거나 찌그러뜨리기), 각도 $θ$ 를 바꾸는 것입니다(코일을 회전시키기). 발전기는 세 번째 방법을 씁니다.

변화가 클수록, 그리고 빠를수록 기전력이 커집니다. 이것을 정량화한 것이 패러데이 법칙이고, 생긴 전류가 어느 쪽으로 흐르는지를 정하는 것이 렌츠 법칙입니다. 이 둘이 발전소의 발전기, 무선 충전 패드, 인덕션 레인지, 교통카드 인식기를 모두 설명합니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

코일에 자석을 넣었다 뺐다 하기

자석의 N극을 코일에 밀어 넣는 동안 검류계 바늘이 한쪽으로 움직이고, 빼는 동안 반대쪽으로 움직입니다. 코일 안에 자석을 넣은 채로 가만히 있으면 바늘은 0으로 돌아갑니다. 자기장이 세게 걸려 있어도 '변하지 않으면' 전류는 없습니다.
예시 2

발전기 — 자기장 속에서 코일 돌리기

$Φ = B A cos θ$

코일을 일정한 속도로 돌리면 $θ$ 가 계속 변하므로 $Φ$ 가 주기적으로 오르내리고, 그에 따라 기전력도 방향이 계속 바뀝니다. 이렇게 만들어진 것이 교류와 변압기에서 다루는 교류입니다.
예시 3

무선 충전 패드

패드 안의 코일에 빠르게 변하는 전류를 흘리면 변하는 자기장이 생기고, 그 위에 올린 휴대폰 코일의 자기 선속이 변해 전류가 유도됩니다. 두 코일이 전선으로 이어지지 않았는데도 에너지가 건너가는 이유입니다.