17. 패러데이 법칙과 렌츠 법칙(Faraday's Law, Lenz's Law)

17. 패러데이 법칙과 렌츠 법칙(Faraday's Law, Lenz's Law)

발전기는 어떻게 전기를 만들까?
변압기는 어떤 원리로 동작할까?
전동기는 어떤 원리로 회전하나?
이렇게 전력기기 원리를 이해하기 위해서는 패러데이 법칙과 렌츠 법칙을 알고 있는 것이 중요하다.
패러데이의 법칙과 렌츠의 법칙이 무엇인지 알아보자.

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1. 패러데이의 법칙(Faraday's Law)
2. 렌츠의 법칙(Lenz's Law)

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1. 패러데이의 법칙(Faraday's Law)

1820년 오스터드(Oersted)라는 학자가 전류가 흐를 때 자기력이 발생함을 알아냈다.
전류가 흐를 때 그 주변에 있던 나침반이 돌아가는 걸 보고 전류가 있으면 자기장이 발생함을 발견했다.

전류가 있으면 자기장이 발생하는데
반대로 자기장이 있으면 전류가 발생할까?

이걸 확인한 사람이 패러데이다.
1831년 패러데이(Faraday)는 거꾸로 자기장에서 전류를 얻을 수 있는 걸 실험적으로 증명했다.

패러데이가 했던 실험을 확인해보자.
기본 패러데이 실험 회로는 아래와 같다.

패러데이 실험 회로

왼쪽 회로는 배터리가 연결되어 있고 스위치가 열려있는 상태다.
오른쪽 회로는 폐경로의 코일에 전압을 측정할 수 있는 전압계가 연결되어있는 상태이다.




① 왼쪽 회로의 열려있는 스위치를 닫게 되면 회로에 전류가 흐른다.

패러데이 실험 - 스위치를 닫으면 전류가 흐른다

② 왼쪽 회로 코일에 전류가 흐르면서 자기장이 형성된다.

패러데이 실험 - 전류가 흐르면서 코일에 자기장이 발생한다.

이미 1820년 오스터드(Oersted)의 실험으로 전류가 있으면 자기장이 발생함은 알고 있는 사실이다.




③ 스위치를 닫는 순간 왼쪽 회로에 전류가 흐르고 생성된 자기장이 오른쪽 폐경로의 코일에 영향을 주면서
전압계가 잠깐 움직였다가 다시 '0'을 가리킨다.

패러데이 실험 - 왼쪽 코일의 자기장이 오른쪽 코일에 영향을 줘서 전압계가 움직인다.

④ 스위치가 닫힌 상태에서 오른쪽 폐경로의 코일을 왼쪽 회로로부터 멀어지게 했다가 가까워지게 했다가 반복해서 움직여본다.

패러데이 실험 - 왼쪽 회로에 자기장이 형성된 상태에서 오른쪽의 폐경로의 코일을 계속 움직이면 전압계가 계속 움직인다.

이런 동작을 반복하면 전압계가 계속 움직이게 된다, 계속 전압이 측정된다.




위의 실험 결과를 종합적으로 보면
첫 번째로 왼쪽 회로 스위치를 닫는 순간, 오른쪽 회로에 잠깐 전류가 흐른다.
두 번째로 왼쪽 회로 스위치가 닫힌 상태에서 오른쪽 회로를 움직이면 오른쪽 회로에 전류가 흐른다.

결론적으로 폐경로의 코일(오른쪽 회로)을 지나는 자기장의 크기가 시간에 따라 변할 때 전류가 생성됨을 알 수 있다.

이걸 식으로 나타내면 아래와 같이 표현할 수 있다.

패러데이 법칙

전기에너지(E) = dφ/dt

-> 시간(t)에 따라 자기장(φ)이 변하면 전기에너지(E)가 만들어진다.
기전력(E)가 발생하기 때문에 코일에 전류가 흐르게 된다.

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2. 렌쯔의 법칙(Lenz's Law)

패러데이(Faraday)가 폐회로에 자기장이 시간에 따라 변화할 때 전류가 흐르게 됨을 실험적으로 보여줬다면
렌츠(Lenz)는 왜 그런 현상이 발생했는지 생각했다.

렌츠는 '관성의 법칙'에서 그 답을 찾았다.
관성의 법칙은 변하지 않으려는 속성, 그 상태를 유지하려는 속성이다.



'폐경로의 코일'의 초기 상태는 자기장이 '0'이다.

렌츠의 법칙 - 폐경로의 코일 자기장이 '0'인 상태

그런데 외부에서 생겨난 자기장이 코일을 지나게 된다고 생각해보자.

렌츠의 법칙 - 폐경로의 코일에 외부 자기장이 영향을 줌

그러면 코일은 관성의 법칙 때문에 원래의 상태인 자기장 '0'을 유지하려고 한다.
그래서 외부의 자기장과 같은 크기, 반대 방향의 자기장을 만들어 외부 자기장을 상쇄시키려고 한다.

렌쯔의 법칙 - '폐경로의 코일'이 원래의 상태를 유지하기 위해 외부 자기장과 같은 크기, 반대방향의 자기장을 생성한다.

그러면 코일에서 만들어진 자기장에 의해 코일에 전류가 만들어진다.
(전류가 있으면 반드시 자기장이 존재하고, 자기장이 있으면 반드시 전류가 존재한다.)

렌츠의 법칙 - 폐경로의 코일에 자기장이 생성되면서 전류가 코일에 흐르게 된다.

렌츠는 이런 과정을 통해 전류가 생성된다고 말했다.
그리고 패러데이의 식 -> 전기에너지(E) = dφ/dt 을 수정한다.

렌쯔에 의해 수정된 패러데이 공식

전기에너지(E) = - dφ/dt (수정된 식)
'폐경로의 코일'을 통과하는 외부 자기장을 억제하는 방향으로 만들어진 기전력(E)이기 때문에 반대 방향이다.
그래서 패러데이가 만든식에 -를 붙이게 된다.