푸시가 밀려올 때 — I.

자기장은 우리의 기술 세계에서 점점 더 중요한 역할을 하지만 물리학 개념에 대해 가장 적게 이해되고 있습니다. 그들은 근육 조직의 많은 특성을 가진 놀랍도록 로프와 같습니다.

Effin '자석! 그들은 어떻게 작동합니까?

당신은 아마도 Insane Clown Posse[*]의 분노를 공유하면서 우리가 가정을 자동화하기 위해 전자 제품을 사용하는 것과는 완전히 별개인 전기 혁명의 한가운데에 있다는 것을 알아차렸을 것입니다. 오히려 전기 모터가 압축기를 구동하여 생활 공간을 냉난방하고 자동차를 그 어느 때보다 강력하게 움직이고 있다는 사실에 관한 것입니다. 그들은 잔디 깎는 기계, 끈 트리머, 잎 송풍기와 같은 우리의 마당 기구를 인수하고 있습니다. 그들은 곧 트럭, 선박, 항공기, 심지어 우주에 대한 접근권까지 장악할 것입니다. 거의 같은 수준으로 효율적 으로 저장하는 휴대용 배터리우리에게 익숙한 연료 탱크로서의 에너지, 전기에 의해 더 효율적이고 효과적으로 구동되지 않는 것은 거의 없습니다. 크랭크를 돌리고 밸브 기어를 조작하기 위해 피스톤을 밀어내는 확장 가스로 구동되는 장치가 너무 많은 기이한 박물관 유물처럼 보이기 시작했습니다.

전기 모터의 한 가지 장점은 "가스"가 와이어를 통해 소리 없이 흐르는 전자라는 점을 제외하고는 가스 터빈의 대칭적이고 균형 잡힌 소용돌이와 비슷하다는 것입니다. 그러나 전기 모터의 회전자에 모든 토크를 가하는 힘은 내부에 있는 와이어 권선의 자기장에서 비롯됩니다. 일부 모터에는 영구 자석이 내장되어 있을 수도 있습니다. 그러나 요점은 전기 모터를 돌리는 거대한 토크는 본질적으로 자기적이며 밀기보다는 당기는 경우가 많다는 것입니다.

모든 사람들은 자석이 전기 기어에 대한 반발력 및 인력이라고 하는 밀거나 당기는 힘을 발휘한다는 것을 이해할 만큼 자석에 익숙합니다. 강한 자성 물질을 사용해 본 경험이 있는 사람이라면 누구나 물체를 얼마나 강력하게 끌어당길 수 있는지 배웠습니다. 나는 적절한 도구와 레버를 배치하는 방법에 대해 충분히 신중하게 생각하기 전에 매우 강한 자석을 부적절하게 조립하려고 시도하는 동안 피를 뽑은 퍼플 하트 상을 개인적으로 받았습니다.

전기력에 대한 일상적인 경험은 일반적으로 비교적 적습니다. 문지르면 물체가 대전될 때 머리카락이 곤두서는 것을 본 적이 있습니다. 우리는 예를 들어 카펫 위를 걸은 후 문 손잡이에 접근할 때 물체를 중화시키고 물체가 경험했을 수 있는 약한 인력을 제거하는 전기 방전을 경험합니다. 이러한 방전은 전기력이 우리가 매일 충전된 물체를 조작하는 데 어려움을 겪는 지점에 도달하는 것을 방지합니다. 결론: 강한 힘을 발휘할 수 있을 만큼 충분한 전하를 한 곳에 모으는 것은 매우 어렵습니다.

그러나 자기력은 양전하와 음전하가 서로에 대해 그리고 관찰자에 대해 상대적인 운동에 의해 생성된 전기력일 뿐입니다. 그리고 한 곳에 너무 많이 쌓이지 않는 한 전하를 옮기는 것은 쉽습니다. 흐르는 모든 전류(움직이는 전하)는 기준 틀에서 자기장을 만듭니다. 우리 모두는 큰 전류를 흘릴 수 있는 배터리의 힘을 알고 있습니다. 그러나 우리 대부분은 연료로 작동하는 엔진을 시동하는 데 사용되는 것보다 더 큰 배터리를 사용해 본 적이 없어 엔진을 크랭킹할 필요가 없습니다. 아무리 작은 배터리라도 스크루드라이버와 같은 전도성 물체가 부주의하게 단자에 닿을 때 매우 위험한 것으로 이해됩니다.

연기와 불

정말 무시무시한 자연의 힘에 대해 생각할 때 가장 먼저 떠오르는 것은 아마도 지진과 화산일 것입니다. 연기 기둥, 용암 흐름, 해양 쓰나미, 산사태 및 충격파의 이미지가 이러한 힘의 가시적인 결과로 떠오릅니다. 가까이 오는 인간이 만든 유일한 힘은 핵무기입니다. 그러나 물론 우리는 일상 생활에서 더 작은 규모로 자연의 힘을 이용합니다. 폭발물을 사용하고 불, 증기 및 연기를 이용하여 운송에서 정원 도구에 이르기까지 모든 것에 사용되는 내연 기관을 포함한 왕복 기계를 회전시킵니다. Nissan은 한때 모델 비행기에 동력을 공급하는 것과 같은 작은 연료 엔진이 알람 시계, 토스터, CD 플레이어, 복사기와 같은 사무 기기 및 기타 가전 제품에도 동력을 공급하는 전기 자동차에 대해 코믹한 광고[*]를 한 적이 있습니다.

여기서 요점은 우리가 자연의 힘을 우리에게 유리하게 활용하는 가장 효과적인 방법으로 가열된 가스를 팽창시켜 피스톤을 밀어내는 방식으로 대부분 해결했다는 것입니다. 우리가 이 기술을 습득하기 전에 우리 자신, 짐을 나르는 짐승, 또는 내리막 물의 흐름은 전 세계의 공장에 동력을 공급하는 에너지원의 중심이었습니다. 나중에 유사한 임무를 수행하기 위해 증기 엔진이 도입되었지만 연소 연료로 구동되었습니다. 우리의 가장 강력한 에너지 기술과 기계의 공통점은 항상 우리가 움직이는 데 필요한 모든 것을 추진하기 위해 유체를 사용하는 것입니다. 오늘날까지 가장 까다로운 에너지 요구 사항은 연료 연소를 통해 충족됩니다. 예를 들어 대형 선박용 발전소, 항공기용, 철도(일부 혼성화 포함), 자동차, 농기구, 우주선을 우주로 발사하기 위한 로켓. 물건을 옮길 필요가 있을 때 우리는 태울 수 있는 연료를 찾아 급히 달려가 첫 충동으로 연료를 밀어냅니다. 다른 많은 에너지원이 있으며 모두 태양에서 파생되지만 화석 옹호자들은 연료만이 가장 까다로운 응용 분야에 전력을 공급할 수 있는 충분히 집중된 태양 에너지원을 제공한다고 주장합니다.

플라즈마 및 와이어

전기가 발견되고 기술로 발전함에 따라 전기의 중요성과 편재성이 커졌습니다. 처음에는 화염 대신 조명에 가장 유용하다고 생각했던 전기가 연소가 비실용적인 모든 종류의 실내 전력 요구 사항에 적합하다는 것이 빠르게 밝혀졌습니다. 밀은 모터를 돌리고 모든 종류의 회전 기계를 작동하는 데 사용할 수 있는 전기를 생성하도록 개조되었습니다. 전기 방전은 백열 전구보다 더 많은 빛과 더 적은 열을 생성하는 것으로 밝혀졌으므로 뜨거운 이온화 플라즈마(물질의 네 번째 상태)의 전기 전도가 시연되고 이해되면 조명의 효율성이 크게 향상되었습니다. 최근에는

그러나 오늘날까지도 전기는 기술의 저전력 응용 분야로 격하되어 불과 연기가 고전력 및 독립형 에너지 응용 프로그램의 왕이자 여왕으로 인식되고 있다고 말하는 것이 타당해 보입니다. 가정용 전기 콘센트는 요리용 레인지와 의류 건조기를 제외하고 1~2킬로와트(kW)로 제한됩니다. 실외용 기기는 그보다 훨씬 더 높은 전력을 필요로 하지 않지만, 1kW-hour 용량을 초과하는 배터리는 아주 최근까지 드물었습니다. 우리 전자 제품의 충전식 배터리는 일반적으로 그보다 훨씬 작으며 충전에 많은 전력이 필요하지 않습니다. 여전히 카메라, 전화 및 컴퓨터의 소형화는 반드시 높은 에너지 밀도를 가져야 하는 작은 배터리의 개발을 장려하여 1990년대에 리튬 이온 배터리의 상용화로 이어졌습니다.

독립형 실외 전기화의 주요 장애물은 고밀도에서 에너지를 콤팩트하고 효율적으로 저장하는 휴대용 화학 배터리의 한계였습니다. 컴퓨터 및 개인용 기기의 소형 배터리를 위한 고밀도 배터리가 개발되자 kW-시간의 에너지 용량을 가진 더 큰 배터리를 구성하는 것이 가능해졌으며 Tesla Motors는 수천 개의 컴퓨터 셀을 약 50kWh 용량. 그러나 전해질과 전극의 질량은 가연성 연료에 부담이 되지 않는 큰 오버헤드입니다. 배터리의 문제는 모든 에너지가 추출될 때 폐기물로 파괴되거나 소모되는 것이 없기 때문에 에너지가 화학적으로 저장된 모든 질량이 여전히 남아 있다는 것입니다.

그러나 전기 에너지는 연기와 불이 감당할 수 있는 요구 사항에 미치지 못한다는 인상이 남아 있습니다. 우리는 가솔린 구동 장치에서 수십에서 수백 kW를 요구할 수 있지만 전기 제품은 약 10kW에서 최고가 되는 경향이 있습니다. 항공기는 연료를 가득 채운 날개로 수천 마일을 수백 명의 승객을 태울 수 있는 반면, 초기 전기 자동차는 한 번에 재충전이 필요하기 전에 100km를 이동하는 데 어려움을 겪었습니다. 리튬 이온 배터리는 최근 이를 600km 이상으로 확장했습니다. 그러나 이 제한조차도 보이는 것처럼 절대적이고 가혹한 것일까요?

세계에서 가장 큰 내연 기관의 출력이 80MW 또는 108,000HP라는 점을 고려하십시오. 그것은 도시 블록만큼 크고 무게는 @2300톤이며 그 주위에 대형 선박이 건조되도록 설계되었습니다. [*]

반면 가장 강력한 전기 모터는 36.5MW 또는 49,000HP에서 그 절반 정도의 전력을 가집니다. 또한 대형 선박에 동력을 공급하도록 설계되었지만 75톤으로 훨씬 더 효율적입니다. [*]

따라서 전기 모터는 확실히 내연 기관과 경쟁할 수 있습니다. 특히 출력과 질량 효율성 측면에서 그렇습니다. 연료와 배터리의 상대적인 질량이 특히 연료가 모두 소모되고 탱크만 남은 후에는 확실히 약간의 점수 이상을 얻습니다.

밀고 당기기

이제 시야를 넓히기 위해 지구 자기장과 태양풍의 상호작용의 힘을 고려하십시오. 자기권의 힘은 태양풍의 강도와 자기에 따라 크게 다르지만 종종 100–500MW 또는 125,000 범위에 있습니다. -625,000HP. 따라서 지구의 우주 상호 작용은 지금까지 만들어진 가장 큰 연소 엔진보다 더 강력하고 최대일 때 몇 배 더 강력하여 다른 현상 중에서도 세계의 모든 오로라와 복사 벨트에 동력을 공급합니다.

자기권과 지구는 우리의 바다를 항해하는 어떤 배보다 훨씬 더 크지만, 그것에 동력을 공급하는 바람은 일반적으로 *진공*에 가깝고 확실히 바닷물이나 심지어 공기만큼 중요한 것은 아무것도 포함하지 않는다는 점을 고려하십시오. 그렇다면 어떻게 그 모든 힘을 생성합니까?

태양풍은 전기 전도성 플라스마가 될 만큼 충분히 뜨거운 이온화된 대부분의 수소와 헬륨의 흐름으로 구성되며, 태양계를 통해 모든 방향으로 태양으로부터 바깥쪽으로 흐릅니다. 태양풍에 내장된 자기장은 태양계를 통해 지구를 지나 멀리까지 확장될 때 태양의 대기에 흐르는 전류에 의해 생성되는 자기장입니다.

전자기력은 중력보다 훨씬 강력합니다. 중력은 별, 행성 및 기타 모든 천체를 형성하는 힘입니다. 그러나 자기력에 비해 연약하고 약하다. 이를 이해하는 한 가지 방법은 태양의 자기력이 중력을 극복하고 태양의 코로나에서 우주로 "코로나 질량 방출"을 일으키는 원인이 된다는 점을 고려하는 것입니다. 이는 태양의 중력에서 시속 100만 마일 떨어진 곳에서 대략 10억 톤의 물질을 발사하는 것과 같습니다. 이러한 근거만으로 자기장을 "우주의 근육"으로 간주하는 것이 합리적으로 보입니다. 분명한 것은 상당한 양의 자기 에너지가 열 에너지, 즉 태양 플레어의 일부인 폭발 에너지로 변환된다는 것입니다. 그러나 이 에너지조차도 어떤 의미에서든 "연소 연료"에 의해 생성되지 않습니다.

따라서 자기장은 우리 태양계에서 가장 강력한 것이며 태양 내부의 핵융합로와 그 결과 대기의 휘젓고 뒤집히는 운동에 의해 근본적으로 구동됩니다. 이러한 움직임으로 인해 태양의 자기장은 시간이 지남에 따라 에너지를 저장하고 때때로 해당 에너지를 태양열 용광로에 상응하는 변화 없이 갑작스럽고 폭발적으로 방출합니다. 외부 관점에서 볼 때 태양 플레어와 물질 방출은 일시적인 자기 현상으로 태양의 지속적이고 지속적인 힘을 잠시 왜소하게 만듭니다.

자기 근육

우주의 자기장에 대한 진지한 연구에서 첫 번째 원리는 Hannes Alfvén이라는 노벨상 수상자에게서 나왔습니다. 이것은 가스가 전도성 플라스마여야 하는 고온을 고려할 때 잘못된 이름인 "고정 필드" 정리라고 합니다. 그럼에도 불구하고, 자기력선으로 채워진 전기 전도성 물질은 자기력선이 매질에 매립되거나 고정된("동결") 강한 인장 섬유인 것처럼 거동하며, 자기력선은 매질에 장력과 압력을 가합니다. 재료 섬유가 그러하듯이. 물처럼 어떤 방향으로든 자유롭게 흐르는 무정형 매질 대신 자기장은 매질에 근육과 매우 유사한 구조를 추가합니다. 근육은 어떤 방향으로 부드럽고 유연할 수 있습니다. 그러나 그것의 섬유는 장력을 받는 밧줄 같은 물체로 함께 연결합니다. 자기 섬유는 근육이 하는 것처럼 길이 방향으로 장력을 가하고 길이 방향으로 외측 압력을 가합니다.

따라서 자기화된 플라즈마 또는 유체는 전류를 전달하는 전기 회로일 수 있는 자기장의 소스에 연결된 근육과 같거나 유체를 통해 전류를 생성하는 다이나모 역할을 하는 전도성 유체 흐름 또는 마찰 없는 자화 전류를 전달하는 반자성 물질. 살아 있는 근육 조직은 신경계를 통해 이동하는 전기 자극에 의해 수축 및 확장 또는 이완 및 수축됩니다. 자기 근육은 자기 섬유가 내장된 전도체를 포함하는 도체를 통해 흐르는 전류에 의해 수축 또는 확장됩니다. 전도성 유체의 자기장과 긴장과 압축을 받는 섬유의 근육 조직 사이의 비유는 자기장을 "우주의 근육"으로 보는 관점을 제시합니다.

자기 근육이 어떻게 인간 기술을 위한 강력한 모터를 회전시키는 데 사용되는지에 초점을 맞출 이 기사의 2부를 계속 지켜봐 주십시오.

메모:

Insane Clown Posse:
물, 불, 공기, 먼지 / Effin' 자석, 작동 방식
https://nymag.com/intelligencer/2020/04/insane-clown-posses-miracles-video-is-ten-years-old.html

닛산 리프 광고:
https://www.youtube.com/watch?v=Nn__9hLJKAk

가장 강력한 연소 엔진:
https://www.throttlextreme.com/worlds-biggest-powerful-combustion-engine/.

가장 강력한 전기 모터:
https://actionelectricmotorandpump.com/2018/07/what-is-the-most-powerful-electric-motor-in-the-world/