11. 인덕터(Inductor)의 원리, 전류억제

11. 인덕터(Inductor)의 원리, 전류억제

전기회로에는 R,L,C 소자가 있다.
R(저항), L(인덕터), C(커패시터)

오늘은 이 중 L(인덕터)의 원리와 역할에 대해 알아보자.

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1. 인덕터(Inductor)란?
2. 인덕터(Inductor)의 원리와 역할
3. 인덕터의 전류억제 그래프로 확인
4. 인덕터의 크기와 시정수(τ)

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1. 인덕터(Inductor)란?

인덕터(Inductor)

인덕터(Inductor)란 전류의 변화량에 비례해 전압을 유도하는 코일이다.
코일은 얇은 금속 선으로 만들어진 닫힌 고리 모양의 도선이다.
코일(Coil)은 리액터(Reactor)와 인덕터(Inductor)로 나눠진다.

리액터와 인덕터 모두 코일인데
보통 큰 코일을 리액터(Reactor)라고 하고
작은 코일을 인덕터(Inductor) 라고 한다.

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2. 인덕터(Inductor)의 원리와 역할

전기회로에 전류가 흐를 때 인덕터는 전류를 억제하는 역할을 한다.
인덕터가 전류를 억제하는 원리는 기본적으로 '렌츠의 법칙(Lenz's Law)'를 따른다.
yyxx.tistory.com/129

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

렌츠의 법칙으로 인덕터가 전류를 억제하는 원리를 가볍게 살펴보자.


최초 전기회로에 아무런 전류가 흐르지 않을 때 인덕터에 발생하는 자기장은 '0'이다.
자기장이 존재하지 않는다.

전원이 연결되지 않았을 때 인덕터의 자기장 '0'

이 회로에 전원이 연결되어 전류가 코일을 타고 흐르게 된다고 가정해보자.

전원이 연결되어 인덕터로 전류가 흐르게 됨

그러면 전류에 의해서 코일에 자기장이 발생하게 된다.
(이때 자기장의 방향은 암페어의 오른나사 법칙을 따르며, 전류가 발생하면 자기장은 무조건적으로 발생함을 알아야 한다.)

전류가 인덕터로 흐르면서 인덕터에 자기장이 생성됨

인덕터는 '관성의 소자'이다. 즉 원래의 상태를 유지하려는 특징을 가진다.
인덕터의 최초의 자기장이 '0'이였으므로 자기장이 없는 상태를 유지하기 위해서
발생한 자기장을 억제하는 방향으로 자기장을 발생시킨다.

인덕터의 관성에 의해 억제하는 방향으로 자기장이 생성되어 전류가 억제된다.

이런 원리에 의해서 전류는 억제된다.

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3. 인덕터의 전류억제 그래프로 확인

인덕터(Inductor)의 전류 억제를 회로와 그래프를 통해 확인해보자.


먼저 아래의 인덕터가 없는 회로를 봐보자.

저항(R)만 있는 회로

전원이 100V를 공급하고 있고 10옴의 저항(R)으로 이루어진 회로이다.
스위치가 열려있기 때문에 전류가 흐르지 못하고 있다.



이 회로의 스위치를 닫아보자.

저항만 있는 회로의 스위치를 닫으면 전류가 한번에 올라감

이 회로의 스위치를 닫게 되면 전류는 오옴의 법칙에 의해서 10A까지 한 번에 올라가게 된다.
오옴의 법칙 (I = V/R = 100/10 = 10A)



이번에는 회로에 인덕터(L)를 포함시켜보자.

저항(R)과 인덕터(L)가 있는 회로

전원이 100V를 공급하고 10옴의 저항(R)과 인덕터(L)로 이루어진 회로이다.
스위치가 열려있어서 전류가 흐르지 못하고 있다.



이 회로의 스위치를 닫아보자.

저항(R)과 인덕터(L)가 있는 회로에서는 스위치를 닫으면 전류가 서서히 올라감

오른쪽 그래프를 보면 저항만 있을 때와는 다르게
회로에 흐르는 전류가 10A까지 올라가기까지 시간이 걸리는 걸 확인할 수 있다.



이렇게 되는 이유는 위에서 확인해보았듯이 인덕터가 전류를 억제하기 때문이다.

인덕터에 전류가 흐르면 억제하는 방향으로 자기장이 생성되고 이 자기장에 의해 억제전류가 만들어져 전류가 억제된다.

코일에 전류가 흐르면 자기장이 생성되는데
인덕터가 관성(원래의 상태를 유지하려는 습성)에 의해
자기장을 억제하는 방향의 자기장을 만들어 내고
이 억제하는 방향의 자기장에 의해 코일에 억제 전류가 생성 된다.



그래프로 확인해보면

억제전류(녹색)에 의해 전류가 10A까지 올라가는데 시간이 걸린다.

처음 스위치를 닫은 시점에 전원은 10A의 전류를 만들기 위해 계속 전류를 공급하는데
코일은 관성에 의해 처음 상태를 유지하기 위해 전원이 공급한 만큼의 -10A 전류를 만들어낸다.
그러나 전원이 계속해서 10A의 힘으로 밀어붙이면 코일의 관성은 점점 전원의 전류를 따라가게 돼서
결국은 10A의 전류에 도달하게 된다.

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4. 인덕터의 크기와 시정수(τ)

인덕터의 크기를 키우면 그래프는 어떻게 변할까?

원래의 전류 그래프가 빨간색이었다면
더 큰 인덕터를 사용한 경우 보라색처럼 10A까지 도달하는데 더 많은 시간이 걸리게 된다.

더 큰 인덕터를 사용하면 스위치를 닫았을 때 전류가 10A까지 올라가는데 시간이 더 오래걸린다.

인덕턴스가 더 커지면서 관성의 힘이 더 강해지고 전류를 억제하는 힘이 강해졌다.

이때 10A까지 도달하는 시간을 '시정수(τ)'라고 한다.
저항과 인덕터가 존재하는 R-L회로에서
이 시정수(τ)는 L/R (초)이다.

RL회로에서 시정수 공식

식에서 보았듯이 L의 크기가 커지면 시정수가 커짐을 알 수 있다.
시정수가 크다는 것은 변화하는데 시간이 오래 걸린다는 말과 같다.