유전체란 무엇인가? / 기계력이란 무엇인가?

절연체와 유전체란?


같은 점 : 재료

다른 점 : 사용목적 - 절연체 : 전기적 분리
유전체 : 전기(전하)를 끌어오도록 매개하는 물질




유전체 분극 과정

유전체 분극 과정

1. 이상적인 유전체는 자유전자가 없다. 구속전자로 이루어져 있다.

2. 스위치가 닫히면서 유전체 양단에 전압이 걸린다.

3. -쪽으로는 유전체의 +가, +쪽으로는 유전체의 -가 치우친다.

4. 서서히 진행되며 유전체 한쪽은 완전히 +, 한쪽은 완전히 - 가 된다. 이를 분극이라하며 전기 쌍극자라고 부른다.


스위치가 닫으면 전류가 흐를까?

절연체와 같은 재료이므로 흐르지 않는다고 생각할 수도 있지만 전류가 흐른다.
자유전자가 발생하지는 않지만 구속전자가 +쪽으로 움직이는 것 자체가 변위전류를 생성한다.

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4. '유전체'의 역할(커패시터 원리)

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5. 커패시터의 전압, 전류 그래프 확인

전류와 자기장의 관계

전류가 흐르면 자기장이 생성된다.

자기장이 생성되면 전류가 흐른다.

서로의 원인과 결과이다.


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6. 전류와 자기장의 관계

벡터의 내적과 외적의 물리적 의미

내적(Dot Product)은 효율과 관련이 있다.
일을 할 때 목표로 하는 방향과 세타만큼 차이나는 방향으로 일을 한다면 방향을 맞춰주는 내적을 통해 한 일을 구한다.


외적(Cross Product)는 벡터의 회전과 관련이 있다.

두 도체가 나란히 있을 때 도체에 흐르는 전류에 따라 생성되는 자기장과 전류의 방향을 외적함으로써 미치는 힘(전자 흡인력 혹은 반발력)의 방향을 구할 수 있다.

여기서 두도체간에 생기는 힘이 자기력이다.




기계력이란 무엇인가?

자기력은 긍정적인 면에서 - 전동기
부정적인 면에서 - 정전기, 기계손 ...

기계력이란 - 전력설비를 깨부수는 힘
기계력 F = uI^2/2πr (전류^2에 비례)
이 때 기계력은 그래프상 비대칭적.

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9. 기계력(자기력)이 위험한 이유

※모든 전력설비는 단락전류가 흐를 때 열적, 기계적으로 견딜 수 있어야 한다.


단락전류가 흐를 때 기계력이 발생할 수 있는데
이 때 단락전류(고장전류)가 흐를 때 단락전류를 신속하게 차단하여 전력설비를 보호하는 장치는 '차단기'이다.
하지만 단락전류^2에 비례하는 기계력이 비대칭적이기 때문에 차단기가 차단하기 전에 기계적 손상을 막지 못할 수 있다.


차단기의 접점 손상의 원인도 기계력이다.

차단기의 Contactor 부분의 전류는 넓게 흐르지 않는다. 좁게 흐르고 Contactor 에 서로 다른 방향의 전류의 흐름이 생겨 맞닿는 부분에서 전자 반발력이 발생한다.
고장전류 검출 과정에서 차단기가 Open 되기전에 고장전류가 한번 흘러버리면 반발력으로 인해 차단기가 살짝 열리는데 이 때 arc가 발생한다. 미세하게 Open과 arc발생이 반복되면서 용접비슷하게 용착이 발생해버리면 차단기 Contactor가 붙어버리고 Open에 실패하게 된다.

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10. 기계력에 의한 설비 손상의 예시

차단기 Open 과정

CT,PT에서 고장전류 검출 -> RY보호계전기 -> TC(트립코일) -> Open


차단기에 오는 고장전류값을 계산하여 적당한 차단기를 설치하는게 중요. 너무 강하게 맞물리고 있어도 Open시 힘이 많이 든다.