철심의 자화특성 곡선과 포화 특성

철심의 자화특성 곡선과 포화 특성
먼저 철심을 이루는 원자에 대해 이해하여야 한다.
원자는 핵(양성자+중성자)과 전자로 이루어져 있다. 핵을 중심으로 전자가 공전도 하지만 자전도 하고 있다는 걸 알아야한다. 자전축을 중심으로 전자가 자전을 하면서 자기쌍극자가 만들어진다. 즉 스스로 작은 자석이 된다. 그 말은 N극에서 S극으로 자기장을 스스로 형성하고 있다는 거다.

자기장 - 전류는 앞에서 말했던 것처럼 서로의 원인이자 결과이다. 자기장이 형성됐다는 것은 전류가 흐름을 의미한다.
(자유전자가 도체내에서 이동하는 것만이 전류가 아니다)


자성체(Magnetic Material)
자성체를 자세히 들여다 보면 무수히 많은 원자로 이루어져 있다. 위에서 말했던 것처럼 이 무수히 많은 원자는 서로 다른 방향을 가르키는 작은 자석처럼 볼 수 있다. 모두 다른 방향을 가르키고 있지만 모든 자석들의 방향의 합은 0으로 수렴하며 안정적인 상태를 유지하고 있다.


자성체에 자석을 가까이 가져간다면?
자성체를 구성하는 원자들(작은자석들)의 N극은 외부자석의 S극을 따라가고 S은 외부자석의 N극을 따라가게 된다.
외부 자석을 더 강한걸로 씀에 따라서 그 정도는 더 심해진다.

자성체의 원자들(작은자석들)의 내부자속밀도(자기쌍극자모멘트)의 크기는 외부 자석에 따라서 점점점점 커지다가 어느순간 더이상 커지지 않는데 이 때를 '최대자속밀도'라고 한다. 그리고 이 때를 철심이 포화 됐다고 말한다.

철심의 자화 특성 곡선

B - 내부자속밀도, 자기쌍극자 모멘트
H - 외부에서 걸어준 자기자석 세기

포화되어 B가 일정해 지는 최대자속밀도를 피하기 위해서는 자성체를 쓰지 말아야한다.
그러나 자성체를 쓰지 않게 되면 누설 되는 양이 매우 많아져 사이즈가 엄청나게 커져서 비효율적이다.
철심을 쓰는 건 어쩔 수 없다.


철심이 포화되면 어떤 일이 발생하나?
전류원이 존재하고 철심에 감아져 있다고 생각해보자.
여기에서 전류가 흐르게 되면 자성체에 외부자석을 가져간것과 동일한 상황이 된다. 전류가 점점 많이 흐름에 따라 철심의 내부자속밀도는 점점 커지다가. 어느순간 포화되며 일정해진다. 이 때 인덕턴스 L = 내부자속밀도/전류 = 0 이 된다.
리액턴스 X = wL 에서 L이 0에 거의 도달함에 따라 리액턴스 X역시 거의 0에 도달하게 되고, 전류 I = V/X 에 따라 전류가 무한대로 흐르게 된다.

정리하자면 전압원 시스템에서 자성체(철심)가 포화되면 인덕턴스 L이 급격히 감소하고 리액턴스 X 역시 급격히 감소하여 전류가 급격하게 증가하게 된다.
이와 같은 상황의 예로 여자돌입전류를 들 수 있다.


+ 그림으로 더 자세히 이해
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11. 철심의 자기쌍극자와 자화특성곡선에 대해 알아보자.(1)

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12. 철심의 자기쌍극자와 자화특성곡선에 대해 알아보자.(2)

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13. 철심의 자기쌍극자와 자화특성곡선에 대해 알아보자.(3)