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전자기 유도
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전자기 유도(電磁氣誘導)는 변화하는 자속 속에 놓인 도체가 기전력을 생성하는 현상을 말하는 것으로, 이때의 기전력을 유기 기전력, 또는 유도 기전력이라고 하는데, 도체가 고리 모양으로 닫힐 때 기전력에 의해 전자가 흐르게 되어 유기 전류(유도 전류)가 형성된다.
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일반적으로 영국의 물리학자 마이클 패러데이가 1831년에 전자기 유도 현상을 발견한 것으로 알려져 있지만, 프란체스코 잔테데스키가 1829년의 연구에서 이를 이미 예견했을 수도 있다. 패러데이는 폐회로에서 발생하는 기전력과 그 경로로 둘러싸인 곡면을 통과하는 자속의 변화율이 비례한다는 사실을 발견했는데, 이는 전도체로 둘러싸인 곡면을 통과하는 자속이 변할 때 닫힌 도체 안에서 전류가 흐른다는 것을 의미한다. 이는 자기장 자체가 변하거나 도체가 자기장을 통해 이동할 때 적용된다. 전자기 유도는 발전기, 유도전동기, 변압기 및 대부분의 기타 전기 장비 작동의 기초이다.
패러데이 전자기 유도 법칙은 전자기 유도에 의한 유도 기전력의 크기는 단위 시간당 자기 선속의 변화율과 코일의 감긴 횟수에 비례한다는 것인데, 이것은 다음과 같다.
여기서 는 기전력으로 단위는 볼트(V)이고, N은 전선이 감긴 횟수,
는 자기 선속으로 단위는 웨버(Wb)이다.
이 법칙에서 자기선속의 변화율에 영향을 미치는 요소에는 면적의 변화와 자기장의 세기 변화가 있다. 이 중 하나만 변화하면 자기 선속의 크기는 변화하며 유도 기전력이 발생할 수 있다.
유도 기전력을 강하게 발생시키기 위해서는 자기 선속의 변화율 값을 키우는 방법이 주로 사용되는데, 다른 요소 값을 고정한 후에 면적의 변화율이나 자기장 세기 변화율의 크기를 크게 하여 큰 전력을 발생시킨다. 여기서 주의해야 할 점은 변화율이라는 것인데, 자기 선속이 커도 변화율이 작으면 큰 기전력은 발생하지 않는다.
전자기 유도에 의해 발생하는 기전력의 부호는 렌츠의 법칙을 통해 알 수 있다. 즉, 회로에 유도된 전류의 방향은 유도된 기전력을 발생시킨 자기장의 변화를 상쇄하는 방향이다. 즉,
- 회로에 기전력이 유도되고 유도된 전류가 흐르면 회로 주변에 다시 자기장이 형성되는데 그 자기장의 방향은 최초 기전력을 유도했던 자기장의 변화를 상쇄하는 방향이 된다
로렌츠 법칙을 활용하여 기전력을 새로운 식으로 나타낼 수 있다.
여기서 F는 로렌츠 힘을 나타낸다.
이는 직선이나 원형 전류 또는 솔레노이드에 의한 자기장에서 알아볼 수 있다.
참고: 맥스웰 방정식