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4 ماه پیش
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【과학실험】 구리판에 자석이 붙을까? 유도
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맴돌이 전류#와전류#렌츠의 법칙#자이로드롭#참키트#참사이언스#shorts
구리관과 자석으로 하는 자이로드롭 실험은 보통의 명칭이 렌츠의 법칙 실험기, 와전류 실험기 등이 있다.
다음은 구리관과 구리판, 네오디뮴 자석을 가지고 실험을 하면서 느낀 점을 함께 서술해 본다.
미리 말하자면 구리관과 판은 두꺼운 것을, 자석도 강력한 것을 사용하면, 상호작용은 힘을 크게 느낄 수 있다. 다만 비용적인 차이가 크기 때문에 두께가 얇은 것을 하고, 자석을 자력이 강하고, 면적이 넓은 것을 사용하면 문제없을 것 같다. 다만, 자석은 매우 조심해야 한다.
구리관, 세로로 길게 끊어진 구리관, 구리판, 자석을 가지고 맴돌이 전류 실험을 했을 때 구리관일 경우 자석을 구리관 안에 넣어 떨어뜨렸을 때 렌츠의 법칙으로 설명을 하는 것 같다. 그런데 세로로 길게 끊어진 구리관은 전류가 어떻게 흐를까를 의심하게 되었기에 그림을 그려내기가 어렵게 되었다.
그렇다면 어떻게 설명하여야 할까?
구리관에 렌츠의 법칙을 적용하여 그림을 그리듯 설명해 보자면,
자석은 떨어질 때 도체인 구리관 안에 전류를 형성시키고, 이때 나온 유도 전류는 구리관에 유도 자기장을 형성해 움직이는 자석을 밀어내는 힘이 생겨 자석을 느리게 떨어지게 했다.
자석이 떨어지면서 유도 전류가 반시계 방향으로 흐름으로써 유도 자기장이 형성되는데, 이때, 자석이 진행하는 방향 N 극 쪽에는 유도 자기장 N 극이 발생하여 자석을 밀어내는 척력이 작용하고, 자석 위쪽 S 극에도 유도 자기장 N 극이 발생하여 자석을 끌어당기는 인력으로 인해 자석이 느리게 떨어지는 것이다.
실험해 본 결과 세로로 길게 끊어진 구리관일 경우에는 자석이 기울어져 구리관 벽에 마찰이 심해진다. 끊어진 폭이 넓을수록 자석이 많이 기울어져 마찰이 심해진다. 그렇다 하더라도 세로로 길게 끊어지지 않은 구리관만큼은 아니어도 자석은 느리게 떨어진다. 이처럼 세로로 길게 끊어진 구리관은 렌츠의 법칙을 적용하여 그림을 그린다면 원통관 과는 다르게 전류의 흐름이 중간에 끈기는 데도 자석이 느리게 떨어지는 것으로 보아 유도 자기장이 발생되는 것으로 보인다.
이를 설명할 그림을 그려낼 수 있을까 고민하였지만 명확하게 설명하는 곳을 찾을 수 없었다.그려지게 된다면 평면보다는 입체적으로 그려질 것 같다.
맴돌이 전류 실험 장치
와전류, 에디 전류 또는 맴돌이 전류라고도 하며 처음 발견한 이를 기려 푸코 전류라고도 한다. 도체 주변의 자석이 이동함으로 자기장이 급격하게 바뀔 때 전자기 유도에 의해 발생하는 소용돌이 형태의 전류이다.
다음은 구리판을 가지고 자석을 움직였을 때의 것이다. 구리판을 빗면으로 해놓고 자석을 놓으면 내려가는데, 이때도 느리게 내려가는 것을 볼 수 있다. 또 다른 방법은 회전판에 구리판을 올려놓고 자석을 가까이해서 돌리면, 구리판이 자석을 따라 회전하게 된다.
자석이 구리판 위를 왼쪽에서 오른쪽으로 진행하면 자석이 진행하는 앞쪽은 자기력선의 수가 많아진다.
구리판의 오른쪽 위에서 볼 때 반시계 방향으로 유도 전류가 발생하고, 구리판의 왼쪽 위에서 볼 때 시계방향으로 유도 전류가 발생한다.
유도 전류가 발생하면 도체인 구리판의 오른쪽에서는 자기력선의 증가를 방해하는 방향으로 위로 향하는 유도 자기장이 형성되어 자석의 진행을 막는다. 반대로 구리판의 왼쪽에서는 자기력선의 감소를 방해하는 방향으로 아래로 향하는 유도 자기장이 형성되어 자석을 끌어당기게 되니 구리판은 자석을 따라서 간다.
도체인 구리판을 회전판 위에 올려놓고, 구리판 위에 자석을 회전시키면 구리판을 통과하는 자기장이 변하게 된다. 금속을 통과하는 자기장이 변하면 이 변화를 막으려는 방향으로 유도 전류가 흐르게 되는데, 이러한 전류를 맴돌이 전류(eddy current)라 한다. 즉, 맴돌이 전류는 금속판 내부에서 부분적으로 소용돌이 모양으로 흐르는 전류를 말한다.
와전류 브레이크
맴돌이 브레이크라고도 하며, 자기력선속(자기력선 다발)과 도체의 상대운동으로 인한 자기장과 와전류의 작용으로 상대운동을 정지시키려는 방향으로 힘이 생기는 것을 이용한 것이다.
이제 다시 세로로 길게 끊어진 구리관을 얘기하자면, 세로로 길게 끊어진 구리관을 펼치면 구리판이 되므로 구리판의 설명처럼 그림이 그려진다. 자석이 뉘어져서 자기장이 미치는 영향이 달라진다는 점이 문제이긴 하다.
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구리관과 자석으로 하는 자이로드롭 실험은 보통의 명칭이 렌츠의 법칙 실험기, 와전류 실험기 등이 있다.
다음은 구리관과 구리판, 네오디뮴 자석을 가지고 실험을 하면서 느낀 점을 함께 서술해 본다.
미리 말하자면 구리관과 판은 두꺼운 것을, 자석도 강력한 것을 사용하면, 상호작용은 힘을 크게 느낄 수 있다. 다만 비용적인 차이가 크기 때문에 두께가 얇은 것을 하고, 자석을 자력이 강하고, 면적이 넓은 것을 사용하면 문제없을 것 같다. 다만, 자석은 매우 조심해야 한다.
구리관, 세로로 길게 끊어진 구리관, 구리판, 자석을 가지고 맴돌이 전류 실험을 했을 때 구리관일 경우 자석을 구리관 안에 넣어 떨어뜨렸을 때 렌츠의 법칙으로 설명을 하는 것 같다. 그런데 세로로 길게 끊어진 구리관은 전류가 어떻게 흐를까를 의심하게 되었기에 그림을 그려내기가 어렵게 되었다.
그렇다면 어떻게 설명하여야 할까?
구리관에 렌츠의 법칙을 적용하여 그림을 그리듯 설명해 보자면,
자석은 떨어질 때 도체인 구리관 안에 전류를 형성시키고, 이때 나온 유도 전류는 구리관에 유도 자기장을 형성해 움직이는 자석을 밀어내는 힘이 생겨 자석을 느리게 떨어지게 했다.
자석이 떨어지면서 유도 전류가 반시계 방향으로 흐름으로써 유도 자기장이 형성되는데, 이때, 자석이 진행하는 방향 N 극 쪽에는 유도 자기장 N 극이 발생하여 자석을 밀어내는 척력이 작용하고, 자석 위쪽 S 극에도 유도 자기장 N 극이 발생하여 자석을 끌어당기는 인력으로 인해 자석이 느리게 떨어지는 것이다.
실험해 본 결과 세로로 길게 끊어진 구리관일 경우에는 자석이 기울어져 구리관 벽에 마찰이 심해진다. 끊어진 폭이 넓을수록 자석이 많이 기울어져 마찰이 심해진다. 그렇다 하더라도 세로로 길게 끊어지지 않은 구리관만큼은 아니어도 자석은 느리게 떨어진다. 이처럼 세로로 길게 끊어진 구리관은 렌츠의 법칙을 적용하여 그림을 그린다면 원통관 과는 다르게 전류의 흐름이 중간에 끈기는 데도 자석이 느리게 떨어지는 것으로 보아 유도 자기장이 발생되는 것으로 보인다.
이를 설명할 그림을 그려낼 수 있을까 고민하였지만 명확하게 설명하는 곳을 찾을 수 없었다.그려지게 된다면 평면보다는 입체적으로 그려질 것 같다.
맴돌이 전류 실험 장치
와전류, 에디 전류 또는 맴돌이 전류라고도 하며 처음 발견한 이를 기려 푸코 전류라고도 한다. 도체 주변의 자석이 이동함으로 자기장이 급격하게 바뀔 때 전자기 유도에 의해 발생하는 소용돌이 형태의 전류이다.
다음은 구리판을 가지고 자석을 움직였을 때의 것이다. 구리판을 빗면으로 해놓고 자석을 놓으면 내려가는데, 이때도 느리게 내려가는 것을 볼 수 있다. 또 다른 방법은 회전판에 구리판을 올려놓고 자석을 가까이해서 돌리면, 구리판이 자석을 따라 회전하게 된다.
자석이 구리판 위를 왼쪽에서 오른쪽으로 진행하면 자석이 진행하는 앞쪽은 자기력선의 수가 많아진다.
구리판의 오른쪽 위에서 볼 때 반시계 방향으로 유도 전류가 발생하고, 구리판의 왼쪽 위에서 볼 때 시계방향으로 유도 전류가 발생한다.
유도 전류가 발생하면 도체인 구리판의 오른쪽에서는 자기력선의 증가를 방해하는 방향으로 위로 향하는 유도 자기장이 형성되어 자석의 진행을 막는다. 반대로 구리판의 왼쪽에서는 자기력선의 감소를 방해하는 방향으로 아래로 향하는 유도 자기장이 형성되어 자석을 끌어당기게 되니 구리판은 자석을 따라서 간다.
도체인 구리판을 회전판 위에 올려놓고, 구리판 위에 자석을 회전시키면 구리판을 통과하는 자기장이 변하게 된다. 금속을 통과하는 자기장이 변하면 이 변화를 막으려는 방향으로 유도 전류가 흐르게 되는데, 이러한 전류를 맴돌이 전류(eddy current)라 한다. 즉, 맴돌이 전류는 금속판 내부에서 부분적으로 소용돌이 모양으로 흐르는 전류를 말한다.
와전류 브레이크
맴돌이 브레이크라고도 하며, 자기력선속(자기력선 다발)과 도체의 상대운동으로 인한 자기장과 와전류의 작용으로 상대운동을 정지시키려는 방향으로 힘이 생기는 것을 이용한 것이다.
이제 다시 세로로 길게 끊어진 구리관을 얘기하자면, 세로로 길게 끊어진 구리관을 펼치면 구리판이 되므로 구리판의 설명처럼 그림이 그려진다. 자석이 뉘어져서 자기장이 미치는 영향이 달라진다는 점이 문제이긴 하다.
4 ماه پیش
در تاریخ 1403/01/08 منتشر شده
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