전자석의 작동 원리

난파선 마당, 록 콘서트, 현관의 공통점은 무엇입니까? 그들은 각각 전기를 인가하여 자기장을 생성하는 장치인 전자석 을 사용합니다. Wrecking yards는 매우 강력한 전자석을 사용하여 무거운 고철 조각이나 심지어 자동차 전체를 한 장소에서 다른 장소로 이동합니다. 좋아하는 밴드는 전자석을 사용하여 스피커에서 나오는 소리를 증폭합니다. 누군가 초인종을 울리면 작은 전자석이 금속 클래퍼를 종에 대고 잡아당깁니다.

기계적으로 전자석은 매우 간단합니다. 그것은 금속 조각을 감싼 길이의 전도성 와이어(일반적으로 구리)로 구성됩니다. 프랑켄슈타인의 괴물 처럼 이것은 전기 가 들어오기 전까지는 느슨한 부품 수집에 불과한 것 같습니다 . 그러나 전자석에 생명을 불어넣기 위해 폭풍을 기다릴 필요는 없습니다. 배터리 또는 다른 전기 소스에서 전류가 유입되어 와이어를 통해 흐릅니다. 이것은 코일 와이어 주위에 자기장을 생성하여 금속을 영구 자석인 것처럼 자화시킵니다. 전자석은 각각 회로를 완성하거나 차단하여 자석을 켜고 끌 수 있기 때문에 유용합니다.

더 멀리 가기 전에 전자석이 팝시클 아트를 냉장고에 고정하는 것과 같은 일반적인 "영구" 자석 과 어떻게 다른지 논의해야 합니다 . 아시다시피 자석에는 "북쪽"과 "남쪽"이라는 두 개의 극이 있으며 강철, 철 또는 이들의 조합으로 만들어진 물체를 끌어 당깁니다.. 극은 반발하고 반대는 끌어당기는 것처럼(아, 로맨스와 물리학의 교차점). 예를 들어, 끝이 "북쪽"과 "남쪽"으로 표시된 두 개의 막대 자석이 있는 경우 한 자석의 북쪽 끝이 다른 자석의 남쪽 끝을 끌어당깁니다. 다른 한편으로, 한 자석의 북쪽 끝은 다른 자석의 북쪽 끝을 밀어낼 것입니다(그리고 유사하게 남쪽은 남쪽을 밀어낼 것입니다). 전자석은 "일시적"이라는 점을 제외하고는 동일한 방식입니다. 자기장은 전류가 흐를 때만 존재합니다.

초인종은 영구 자석이 의미가 없는 응용 분야에서 전자석을 어떻게 사용할 수 있는지 보여주는 좋은 예입니다. 손님이 현관의 버튼을 누르면 초인종 내부의 전자 회로가 전기 루프를 닫습니다. 이는 회로가 완료되고 "켜짐"을 의미합니다. 폐쇄 회로는 전기가 흐르도록 하여 자기장을 생성하고 클래퍼가 자화되도록 합니다. 대부분의 초인종 하드웨어는 금속 벨과 금속 클래퍼로 구성되어 있으며, 이 금속 클래퍼는 자기 전하로 인해 서로 부딪힐 때 내부의 차임 소리가 들리고 문에 응답할 수 있습니다. 벨이 울리고 손님이 버튼을 놓으면 회로가 열리고 초인종이 지옥에서 울리는 것을 멈춥니다. 이 주문형 자기는 전자석을 매우 유용하게 만드는 것입니다.

이 기사에서 우리는 전자석을 자세히 살펴보고 이러한 장치가 어떻게 아주 멋진 과학을 가져와 우리 주변의 장치에 적용하여 우리의 삶을 더 쉽게 만드는지 알아보겠습니다.

내용물

1. 전자석의 역사
2. 전자석의 점착력
3. "전자석"에 "전자"를 담다
4. 우리 주변의 전자석
5. DIY 전자석 및 시도할 실험

전기 와 자기 사이의 관계는 물리학자 James Maxwell 이 양전하와 음전하 사이의 상호작용을 관찰한 1873년까지 완전히 연구되지 않았습니다 [출처: Mahon ]. 계속된 실험을 통해 Maxwell은 이러한 전하가 방향에 따라 서로를 끌어당기거나 밀어낼 수 있음을 확인했습니다. 그는 또한 자석에 극, 즉 전하가 집중되는 개별 지점이 있다는 것을 처음으로 발견했습니다. 그리고 전자기학에서 중요한 Maxwell은 전류가 도선을 통과할 때 도선 주위에 자기장을 생성한다는 사실을 관찰했습니다.

Maxwell의 연구는 작동 중인 많은 과학적 원리에 대한 책임이 있었지만 전기와 자기를 실험한 최초의 과학자는 아닙니다. 거의 50년 전에 Hans Christian Oersted는 자신이 사용하고 있던 나침반이 실험실의 배터리가 켜지고 꺼지면 반응한다는 것을 발견했습니다[출처: Gregory ]. 이것은 나침반의 바늘을 방해하는 자기장이 존재하는 경우에만 발생하므로 배터리에서 흐르는 전기에서 자기장이 발생한다고 추론했습니다. 그러나 Oersted는 화학 분야에 끌렸고 전기와 자기 연구는 다른 사람들에게 맡겼 습니다[출처: Mahon ].

전자기학의 할아버지인 마이클 패러데이 는 화학자이자 물리학자인 마이클 패러데이로 , 그는 맥스웰이 나중에 구축한 많은 이론을 설계했습니다. Faraday 가 Maxwell이나 Oersted보다 역사상 훨씬 더 유명해진 이유 중 하나 는 아마도 그가 다작의 연구원이자 발명가였기 때문일 것입니다. 그는 전자기학 분야의 선구자로 널리 알려져 있지만 전자기 유도를 발견한 것으로도 알려져 있습니다. 이 사실은 나중에 실제 응용 분야를 탐색할 때 논의할 것입니다. 패러데이는 또한 전기 모터를 발명했으며 , 물리학에서 영향력 있는 작업 외에도 영국 왕립 연구소의 풀러 화학 교수의 권위 있는 직위에 임명된 최초의 인물이기도 합니다. 너무 초라하지 않습니다.

그렇다면 이 사람들의 작업은 무엇을 밝혀냈습니까? 다음 섹션에서는 전자석이 어떻게 작동하는지 살펴보겠습니다.

서론에서 언급했듯이 기본 전자석은 그렇게 복잡하지 않습니다. 집 주변에 있는 재료를 사용하여 간단한 버전을 직접 만들 수 있습니다 . 일반적으로 절연 구리인 도선이 금속 막대 주위에 감겨 있습니다. 전선은 만지면 뜨거워지므로 절연이 중요합니다. 와이어가 감겨 있는 막대를 솔레노이드 라고 하며 결과 자기장은 이 지점에서 멀리 방출됩니다. 자석의 강도는 와이어가 막대를 감는 횟수와 직접적인 관련이 있습니다. 더 강한 자기장을 위해서는 와이어를 더 단단히 감아야 합니다.

좋아, 그것보다 조금 더 있습니다. 와이어가 막대 또는 코어 주위에 더 촘촘하게 감길수록 전류는 더 많은 루프를 만들어 자기장의 강도를 증가시킵니다. 와이어가 얼마나 단단히 감겨 있는지 외에도 코어에 사용되는 재료는 자석 의 강도를 제어할 수 있습니다 . 예를 들어 철은 강자성 금속이므로 투과성이 높습니다[출처: Boston University ]. 투자율 은 재료가 자기장을 얼마나 잘 지원할 수 있는지를 설명하는 또 다른 방법입니다. 특정 물질이 자기장에 더 많이 전도될수록 투자율이 높아집니다.

전자석 의 쇠막대를 포함한 모든 물질 은 원자로 구성되어 있습니다. 솔레노이드가 통전되기 전에 금속 코어의 원자는 특정 방향을 가리키지 않고 무작위로 배열됩니다. 전류가 유입되면 자기장이 막대를 관통하여 원자를 재정렬합니다. 이 원자들이 움직이고 모두 같은 방향으로 움직이면 자기장이 커집니다. 자화 된 원자의 작은 영역인 도메인 이라는 원자의 정렬은 전류 수준에 따라 증가 및 감소하므로 전기의 흐름을 제어하여 자석의 강도를 제어할 수 있습니다. 모든 도메인이 정렬되면 포화 지점이 옵니다. 즉, 추가 전류를 추가해도 자력이 증가하지 않습니다.

전류를 제어하여 본질적으로 자석을 켜고 끌 수 있습니다. 전류가 꺼지면 원자는 자연스럽고 무작위적인 상태로 돌아가고 막대는 자성을 잃습니다(기술적으로는 약간의 자기적 특성을 유지하지만 그다지 오래 가지 않고 많지는 않음).

가족 강아지의 사진을 냉장고에 붙들고 있는 것과 같은 평범한 영구 자석을 사용하면 원자가 항상 정렬되고 자석의 강도가 일정합니다. 영구자석을 떨어뜨리면 붙는 힘이 없어진다는 사실, 알고 계셨나요? 충격으로 인해 실제로 원자가 정렬에서 벗어날 수 있습니다. 자석을 문지르면 다시 자화될 수 있습니다.

전기 를 잘 전자석 어딘가에서 온이 전력에? 다음 섹션에서는 이러한 자석이 주스를 ​​얻는 몇 가지 방법을 살펴보겠습니다.

전자석을 작동시키기 위해서는 전류가 필요하므로 어디에서 오는가? 빠른 대답은 전류를 생성하는 모든 것이 전자석에 전력을 공급할 수 있다는 것입니다. TV 리모컨에 사용되는 작은 AA 배터리 부터 그리드 에서 직접 전기 를 끌어오는 대형 산업용 발전소에 이르기까지 전자를 저장하고 전송하면 전자석에 전력을 공급할 수 있습니다.

가정용 배터리가 어떻게 작동하는지 먼저 살펴보겠습니다. 대부분의 배터리에는 쉽게 식별할 수 있는 양극과 음극의 두 극이 있습니다. 배터리를 사용하지 않을 때 전자는 음극에 모입니다. 배터리가 장치에 삽입되면 두 극이 장치의 센서와 접촉하여 회로가 닫히고 극 사이에서 전자가 자유롭게 흐를 수 있습니다. 리모컨의 경우 장치는 배터리에 저장된 에너지에 대한 부하 또는 출구 지점으로 설계되었습니다 [출처: Grossman ]. 부하는 리모컨을 작동하는 데 사용하는 에너지를 넣습니다. 무부하 배터리의 양쪽 끝에 와이어를 직접 연결하기만 하면 배터리에서 에너지가 빠르게 소모됩니다.

이것이 일어나는 동안 움직이는 전자도 자기장을 생성합니다. 리모컨에서 배터리를 빼면 약간의 자기 전하가 남아 있을 수 있습니다. 리모컨으로 차를 들 수는 없었지만 작은 쇠 조각이나 종이 클립까지 있었을 것 입니다.

스펙트럼의 다른 쪽 끝에는 지구 자체가 있습니다. 앞에서 논의한 정의에 따르면 전자석은 일부 강자성 코어 주위에 전류가 흐를 때 생성됩니다. 지구의 핵심은 철이며 우리는 북극과 남극이 있다는 것을 알고 있습니다. 이것은 단지 지리적 명칭이 아니라 실제 반대되는 자극입니다. 다이나모 효과(dynamo effect )는 액체 철이 외핵을 가로질러 이동하여 철에 막대한 전류를 생성하는 현상으로 전류를 생성합니다. 이 전류는 자기전하를 발생시키고 , 지구의 자연 자기 는 나침반을 작동시키는 것입니다. 나침반은 금속 바늘이 북극을 잡아당기기 때문에 항상 북쪽을 가리킵니다.

분명히, 작은 집에서 만든 과학 실험과 지구 자체 사이에는 광범위한 전자석 응용 프로그램이 있습니다. 그렇다면 이러한 장치는 현실 세계에서 어디에 나타납니까? 다음 섹션에서는 우리의 일상 생활이 전자기에 의해 어떻게 영향을 받는지 살펴보겠습니다.

많은 전자석은 쉽게 켜고 끌 수 있고 코어 주위에 흐르는 전기 의 양을 늘리거나 줄이면 강도를 조절할 수 있기 때문에 영구 자석보다 장점이 있습니다 .

현대 기술은 자기 기록 장치를 사용하여 정보를 저장하기 위해 전자석에 크게 의존합니다. 예를 들어, 컴퓨터 의 하드 드라이브에 데이터를 저장하면 자화된 작은 금속 조각이 저장된 정보에 특정한 패턴으로 디스크에 삽입됩니다. 이 데이터는 이진 디지털 컴퓨터 언어(0과 1)로 시작되었습니다. 이 정보를 검색하면 패턴이 원래 바이너리 패턴으로 변환되어 사용 가능한 형식으로 변환됩니다. 그렇다면 무엇이 이것을 전자석으로 만드는가? 컴퓨터의 회로를 통해 흐르는 전류는 그 작은 금속 조각을 자화합니다. 이것은 테이프 레코더, VCR 및 기타 테이프 기반 미디어에 사용되는 것과 동일한 원리입니다 (예, 일부는 여전히 테이프 데크 및 VCR을 소유하고 있습니다). 그렇기 때문에 자석 때때로 이러한 장치의 메모리에 큰 피해를 줄 수 있습니다.

전자석은 또한 처음에 전기의 잠재력을 실제로 활용하는 길을 열었습니다. 전기 제품에서 모터는 벽면 소켓에서 흐르는 전류가 자기장을 생성하기 때문에 움직입니다. 모터에 전력을 공급하는 것은 전기 자체가 아니라 자석에 의해 생성된 전하입니다. 자석의 힘은 회전 운동을 생성합니다. 즉, 타이어가 차축을 중심으로 회전하는 방식과 유사하게 고정된 지점을 중심으로 회전합니다.

그렇다면 이 과정을 건너뛰고 처음부터 콘센트를 사용하여 모터 에 전원을 공급하는 것이 어떻습니까? 기기에 전원을 공급하는 데 필요한 전류가 상당히 크기 때문입니다. TV나 세탁기와 같은 대형 가전 제품을 켜면 때때로 집의 조명이 깜박일 수 있다는 사실을 알고 계셨습니까? 이는 기기가 초기에 많은 에너지를 소비하지만 모터를 시동하는 데만 많은 양의 에너지가 필요하기 때문입니다. 일단 발생하면 이 전자기 유도 주기 가 이어집니다.

가전 ​​제품에서 우리는 전자석이 우주의 기원을 푸는 데 어떻게 사용되는지 알아보기 위해 지금까지 만들어진 가장 복잡한 기계 중 하나로 이동하고 있습니다. 입자 가속기는 충돌할 때 어떤 일이 일어나는지 관찰하기 위해 전하를 띤 입자를 엄청나게 빠른 속도로 서로 밀어내는 기계입니다. 이 아원자 입자 빔은 매우 정확하며 궤도를 벗어나 기계를 손상시키지 않도록 궤적을 제어하는 ​​것이 중요합니다. 이것은 전자석이 들어오는 곳입니다. 자석은 충돌하는 광선의 경로를 따라 위치하며, 자석의 자기는 실제로 속도와 궤적을 제어하는 ​​데 사용됩니다[출처: NOVA Teachers ].

우리 친구 전자석에게 나쁜 이력서는 아니겠죠? 차고에서 만들 수 있는 것부터 과학자와 엔지니어가 우주 의 기원 을 해독하는 데 사용하는 도구 작동에 이르기까지 전자석은 우리 주변 세계에서 매우 중요한 역할을 합니다.

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전자석은 만들기 쉽습니다. 몇 가지 하드웨어와 전원 공급 장치만 있으면 바로 사용할 수 있습니다. 먼저 다음 항목이 필요합니다.

이러한 항목이 있으면 배터리와 제대로 연결될 수 있을 만큼만 구리선의 각 끝에서 절연체를 제거하십시오. 손톱 주위에 철사를 감습니다. 더 세게 감쌀수록 자기장은 더 강력해집니다. 마지막으로 전선의 한쪽 끝을 양극 단자에 연결하고 다른 한쪽 끝을 음극 단자에 연결하여 배터리 를 연결합니다(전선의 어느 쪽 끝이 어떤 단자와 쌍을 이루는지는 중요하지 않음). 프레스토 악장! 작동하는 전자석 [출처: Jefferson Lab ].

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