K물리(전자기학) SSG.(Self-Study-Guide)
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- 단어 정리
전하: 전기를 띄는 입자; 전기 현상을 일으키는 원인
마찰전기: 마찰로 인해 정전기가 발생하여 두 물체가 서로 다른 전하를 띄게 되는 것
대전: 물체가 전하를 띄는 것, 대전체: 대전된 물체(전하를 띰)
대전열: 상대적인 대전 순서
방전: 대전체의 전하가 줄어들거나 사라짐; 전기적 성질을 잃음
전기력: 전하 사이에 작용하는 힘
ㄴ인/척력: 다른 종류의 전하 사이에 작용하는 상호작용
정전기 유도: 대전체를 금속에 가까이 댈 때 (-)전하가 유도되는 것
검전기: 대전된 전하량의 상대적인 크기(벡터값)를 알아보는 기구
전하량: 어떤 물체가 지닌 전하의 양 [단위: C(쿨롱)]
전압: 전하를 흐르게 하는 힘 [단위: V(볼트)]
전류: 전하의 흐름 [1초(단위시간)동안 흐른 전하의 양] [단위: A(암페어)]
저항: 전하가 흐르는 것을 방해하는 힘 (⇔전압) [단위: Ω(옴)]
V=IR: (전압)=(전류)×(저항)
전기에너지: 도선에 흐르는 전류가 가진 에너지 [단위: J(줄)]
전력: 1초동안 사용한 전기에너지 [단위: W(와트)]
전력량: 시간당 전기 기구에서 사용한 전력의 양 [단위: Wh(와트시)]
자기력: 자성체(자석, 자성을 띠는 물체) 사이에 작용하는 힘
자기장: 자석 주위의 자기력이 작용하는 공간
자기력선: 자기장의 세기(벡터값)를 선으로 나타낸 것
솔레노이드: 직선 코일 형태의 도선
코로이드: 원형 코일 형태의 도선(안나옴)
전자기 유도: 코일과 자석사이의 상대적인 운동으로 전류가 유도되는 현상
유도 기전력: 전자기 유도 과정에서 발생되는 힘(전압) (안나옴)
유도 전류: 유도기전력에 의해 흐르는 전류 (안나옴)
렌츠 법칙: 전자기 유도에 의한 유도 전류의 방향은 코일을 지나는 자기력선속이 변하는 것을 방해하려는 방향으로 흐른다는 법칙
- 미리 알면 이해하기 쉬운 것들
1. 단위와 기호는 같지 않다(V(볼트) 예외)
2. 등식에서 일정한 값을 제외시키면 비례식을 세울 수 있다. 예)V=IR, R=일정 일 때,
V∝I (전압∝전류) 이다.
3. 보다가 모르는 단어가 있으면 단어정리 참고하세요.
- 정전기
'멈춰있는 전기'로 양성자 수 당 일정한 전자(전하)가 들어가면 대전되게 된다.
예로, 원자 수 100개에 전자 수가 100개 들어가면 그 물체는 중성을 띤다.
(양성자:전자수)로 볼 때, [100:100=전기적 중성, 100:120=음성, 100:80=양성] 이다.
양성자수보다 전자수가 많으면 음성이 되는데, 그 이유가 양성자: (+)극이고 전자: (-)극이기 때문이다. 예) 100-120=-20, 음성
양성자 수나 전자 수는 직접 셀 수가 없어서, 상대적인 양으로 나타내는데, 주위를 중성으로 정하고 이 물체가 주위보다 전자 수가 얼마나 많은지/적은지를 비교하여 대전된 양을 나타낸다.
같은 물체에서의 양성자 수는 변하지 않으며, 전자만 이동을 하기 때문에 전자를 얼마나 얻/잃었느냐에 따라 대전된 양이 결정된다.
- 대전열
물체가 전자를 잃기 쉬운 정도를 비교하여 순서를 나타낸 값을 대전열이라 하며, 대전열에 있는 순서에 따라 물체의 전자 개수가 결정된다.
(+)털가죽-상아-유리-명주-고무-플라스틱-에보나이트(-)
예) 털가죽-유리 마찰: 털가죽은 전자를 잃고 유리는 전자를 얻는다.
상아-플라스틱 마찰: 상아는 전자를 잃고 플라스틱은 전자를 얻는다.
털가죽-상아 마찰: 털가죽은 전자를 잃고 상아는 전자를 얻는다.
이러한 대전열의 순서는 대전열의 순서차가 늘어날수록 대전된 양또한 커진다.
예) 대전되는 양
털가죽-상아 < 털가죽-유리 < 상아-플라스틱
- 화학에서의 대전(F물리 시간에 했던 실험)
극성분자의 경우 물체의 대전량에 따라 영향을 받는다. 분자의 질량 불균형으로 인해 전자가 한쪽으로 쏠리는 현상이 발생한다. 이 현상에 의해 대전체가 대전된다.
예) 털가죽과 마찰된 플라스틱을 떨어지는 물줄기에 가까이 댈 경우 물줄기가 플라스틱 쪽으로 휘어지게 된다.
- 전기력
인력과 척력, 두 힘의 종류가 있으며 각각 서로 끌어당기는 힘과 서로 밀어내는 힘이 있다.
공식: F=kq1q2r2,( F=힘, k=쿨롱상수, r=거리, q1=물체 1의 전하량, q2=물체 2의 전하량)
위 공식을 해석해보면,
물체 1의 전하량 x 물체 2의 전하량은 비례하고, 거리의 제곱은 반비례 한다는 것이다.
(그 이유는 쿨롱상수가 일정하기 때문이다)
- 정전기 유도
전기에서 (+)는 N극, (-)는 S극이라 가정하면
(+)와 (-)가 가까이 가면 인력이, (+)와 (+) 또는 (-)와 (-)가 가까이 가면 척력이 형성된다.
금속(흑연을 포함) 내에서 전자는 자유로이 이동할 수 있으므로 외부의 전기력에 의해 한쪽으로 전자가 쏠리는 현상이 발생한다. 이를 정전기 유도라 한다.
이 현상에서 +로 대전된 대전체를 금속 가까이 가져가면 금속 내의 자유전자가 대전체 쪽으로 향하고, -로 대전된 대전체를 금속 가까이 가져가면 금속 내의 자유전자가 대전체와 반대방향으로 향한다.
예) 명동 한복판에 연예인이 생긴다면 사람들이 몰리지만 반대로 노숙자라면 사람들이 회피한다.
- 금속박 검전기
+은박지 두 개는 절대로 다른 극이 형성될 일이 없다. 예) (하나씩) (+) (-), (-) (+)
1/중성인 검전기에서 대전체를 가까이 하면 무조건 벌어진다. (같은 극 사이에 척력이 작용)
2/하지만 이 상태에서 손가락을 대었다 때면 검전기의 전자가 빠져나가면서 +로 대전된다.
이 검전기와 중성인 검전기를 전선을 통해 연결시키면 대전되지 않은 검전기의 전자가 +인 검전기로 이동하면서 대전되지 않았던 검전기가 +로 대전된다.
3/중성인 검전기에서 대전체를 대면 벌어졌다가 대는 순간 오므라든다. 이때 대전체가 (+)전하였다면 검전기가 (+)전하로, 대전체가 (-)전하였다면 검전기가 (-)전하로 대전된다.
4/ 2번의 방법으로는 (-)전하가 빠져나가기만 해서 검전기가 (+)전하로만 대전되지만, 3번의 방법으로는 (+)나 (-)극 으로 대전시킬 수 있다.
5/ (-)검전기에 (-)대전체를 가까이 하거나 (+)검전기에 (+)대전체를 가까이 하면 더 벌어진다.
6/ (-)검전기에 (+)대전체를 가까이 하거나 (+)검전기에 (-)대전체를 가까이 하면 오므라든다.
- 전류와 전기에너지
전류는 (+)극에서 (-)극으로 흐른다. 하지만 전자는 (-)극에서 (+)극으로 흐른다.
- 전하량 보존 법칙
전하량은 기호가 Q, 단위가 C이며 Q=It, 즉 전하량=전류의 세기 x 시간으로 나타낸다.
따라서 1C=1A의 전류가 1초동안 흘렀을 때의 전하량이다. 따라서 1C=1A/s이다.
(Amp/Sec)
도선이 변하지 않는다는 전제 하에 도선을 따라 흐르는 전하는 새로 생기거나 사라지지 않는데, 이를 전하량 보존 법칙이라 한다.
그렇답니다.
(전지가 같은데 전류가 늘어나는..?)
(더 정확하게..)
- V=IR
전압의 기호와 단위는 V로 같다. 1V=1C의 전하가 저항에서 1J의 일을 할 때 걸린 전압이다.
V=IR로 (전압)=(전류)x(저항)으로 전압과 전류는 비례, 전압과 저항은 비례, 전류와 저항은 반비례 관계를 띤다.
왜?
1번도선이 1옴, 2번도선이 2옴, 3번도선이 3옴의 저항값을 가진다고 가정해보자.
전류-전압 그래프에 저항이라는 변수를 둔 그래프이다.
2쪽에서 설명한 바와 같이, V=IR에서 V가 일정하면 (I∝1/R)이다
1번도선에서 흐르는 전류는 1V (A), 2번은 V/2 (A), 3번은 V/3 (A)가 된다.(V는 상수이다)
따라서 이 과정을 무한번 반복하면 이러한 그래프가 생성된다
저항이 생기는 이유는 전자가 도선을 따라 이동할 때 원자와의 충돌에 의해 흐름에 방해를 받기 때문이다.(중요!)
못이 박혀있는 빗면에서의 구슬의 운동과 저항이 있는 도선에서 전자의 운동에 대한 그림이다.
그럼 저항이 없는 도선도 있나?
있다. V=IR에서 R=0을 대입하면 V와 I도 0이 되지만 초전도체의 경우는 다르다.
매우 낮은 온도에서는 도선의 저항이 0이 된다(에너지 손실이 없다)...ㅋ
- 저항의 직렬/병렬 연결
정말 간단하게는 두가지만 생각하면 된다.
직렬연결의 경우 더하고, 병렬연결의 경우 역수를 더하는 것
(하지만 병렬연결은 출력물도 역수기 때문에 한 번 더 역수를 곱해줘야 한다)
아까 나온 전하량 보존법칙과 이걸 합치면 저항의 연결은 끝난다.
(편의상 한번더...)
직렬연결에서는 전류의 세기가 같고, 병렬연결에서는 전압의 세기가 같다는 뜻이다.
전압의 세기가 같다는 뜻은 어디서 나오냐?
각각 저항이 다를 때, 같은 전압에서의 전류의 합은 회로도에서의 총 전류가 된다.
(직렬연결의 경우는 같은 전류에서의 전압의 합이다)
그럼 이를 전하량 보존법칙에 다시 대입하면
I1+I2=Itotal V1=V2=Vtotal
임을 알 수 있다.
직렬연결: R=R1+R2
병렬연결: 1R=1R1+1R2
문제는 혼합연결이다.
혼합연결의 맥락은 이렇다.
- 가장 안쪽에 있는 저항부터 일체화한다. (계산하기 가능한 것부터 합친다, 1+2=3)
- 총 전압, 총 전류, 총 저항을 구하고 나면 가장 바깥쪽 연결부터 하나하나씩 계산한다.(일체화된 연결을 풀어준다)
위와같은 경우에는 6옴, 3옴을 먼저 합치고 직렬연결로 구해야 한다.
수식으로 나타내면 {직렬 저항 + 1/(1/병렬 저항 + 1/병렬저항)}이다.
4+116+13=4+2=6, 전체저항은 6옴이 된다.
전체전압은 9V로 나오고, 따라서 전체 전류는 1.5(3/2)A가 된다.
병렬연결을 저항 하나로 생각해야 한다. 저항의 직렬연결에서 전류는 모두 같으므로
모두 1.5A이다.
병렬연결에서 전류를 구하려면 먼저 전압을 알아야 하므로 전압부터 구하자.
직렬연결만 봤을 때,
4 x 1.5 = 6, 저항 1에 걸리는 전압은 6V이다.
병렬연결 세트에 걸리는 전압은 3V가 되겠다.
이제 병렬연결 세트에 걸리는 총 전압을 알았으므로 전류의 세기를 각각 구할 수 있다.
3=6I, 두 번째 저항의 전류의 세기는 1/2고
3=3I, 세 번째 저항의 전류의 세기는 1이다.
따라서
전체(전압=9V, 저항=6옴, 전류=1.5A)
저항 1(전압=6V, 저항=4옴, 전류=1.5A)
저항 2(전압=3V, 저항=6옴, 전류=0.5A)
저항 3(전압=3V, 저항=3옴, 전류=1A)
가 된다.
하나 더...
직렬연결을 하나의 저항으로 보고 계산해야 한다.
6옴과 3옴의 병렬연결로 본다면, 총 2옴이 된다.
따라서 총 전류는 6A이다
병렬연결에서 전압이 같으므로, 3옴의 전류는 4A고, 직렬연결세트의 전류는 2A다.
직렬연결에서 전류의 세기는 같으므로 각각 4V, 8V가 된다.
따라서
전체(전압=12V, 전류=6A, 저항=2옴)
2옴짜리 저항(전압=4V, 전류=2A, 저항=2옴)
4옴짜리 저항(전압=8V, 전류=2A, 저항=4옴)
3옴짜리 저항(전압=12V, 전류=4A, 저항=3옴)
이다.
- 전기에너지
전기에너지: E=VIt , E=전기에너지, V=전압, I=전류, t=시간
전력: P=VI, P=Et=VItt=VI, P=전력, V=전압, I=전류
전력량: W=Pt, W=전력량, P=전력, t=시간
- 전류와 자기장
자석은 항상 N극과 S극을 가지는데, 이를 자기쌍극자라 한다. N극만 있는 자석이나 S극만 있는 자석은 발견할 수 없다. 두 자석의 극을 가까이 하면 같은 종류의 극 사이에는 척력이 작용하고, 다른 종류의 극 사이에는 인력이 작용한다. 이와같은 힘을 자기력이라 한다.
자기장은 세기와 방향을 갖는 벡터값이라서, 자기력이 미치는 범위를 자기력선을 통해 나타낼 수 있다. 자기력선의 특징은 N극에서 출발해 S극으로 들어가고, 끊어지거나 교차하지 않는다는 것이다. 내부자기장의 경우 반대인데, 막대자석이나 코일 내부에는 S극에서 N극으로 흐른다. 따라서 자기력선은 찌그러진 원 형태를 형성하게 된다. (직선 형태의 한 가닥은 예외이다)
- 나침반
나침반은 자극을 나타낸다. 하나의 자석이기 때문에, 자극 S극을 향하는 방향이 S극이고, 자극 N극을 향하는 방향이 N극이다. 왜냐하면 지구 자기장은 북극이 S극이고, 남극이 N극이기 때문이다.
따라서 자기력선 위에 나침반을 올려놓으면 N극에서 나온 자기력선이 S극으로 들어갈 때 그 위에 나침반을 올려놓으면 S-N (S-나침반-N) S-N 극을 향한다.
- 손가락 법칙
다음의 법칙은 단순히 증명된 사실이기 때문에 각각의 문제에 대입해서 풀어야 한다
-앙페르의 오른나사 법칙(앙페르 법칙): 전류에 의한 자기장의 방향은 전류의 방향으로 오른나사를 진행시킬 때 나사가 돌아가는 방향이다.
-오른손 법칙: 오른손의 엄지손가락을 네 손가락과 수직이 되도록 편 다음, 전류의 방향으로 엄지손가락을 향하게 하고 나머지 네 손가락으로 도선을 감아쥐었을 때 네 손가락이 감기는 방향이 자기장의 방향이다.
- 직선 도선 주위의 자기장
전류가 흐르는 방향을 따라 엄지를 대고 네 손가락으로 도선을 살포시 감아주면 자기장의 방향이다.
(나올지는 모르겠지만 일단 추가)
자기장의 세기는 도선에 흐르는 전류에 세기 I에 비례하고, 도선으로부터의 거리 r에 반비례한다.
간단히 식으로 나타내면
B∝Ir, B=자기장의 세기, r=거리, I=전류의 세기
- 원형 도선 주위의 자기장
이때 자기장의 세기는
도선에 흐르는 전류에 세기 I에 비례하고, 도선이 만드는 원의 반지름 r에 반비례한다.
간단히 식으로 나타내면
B∝Ir, B=자기장의 세기, r=원의 반지름, I=전류의 세기
- 코일 주위의 자기장
솔레노이드(=코일)의 자기장은 내부 자기장과 외부 자기장의 방향으로 나뉜다.
오른손 법칙을 반대로 적용하여 엄지손가락이 내부자기장의 방향, 네 손가락이 전류의 방향이 된다. 솔레노이드에 표시된 화살표 방향으로 네 손가락을 감으면 내부자기장의 방향은 엄지 방향이 된다.
내부자기장의 자기력선은 S극에서 N극, 외부자기장의 자기력선은 N극에서 S극으로 표시한다.
- 전자석
솔레노이드 내부에 철심(or 상자성체)을 넣어주게 되면 전자석으로 작용한다.
철심을 안넣고도 전자석으로 사용할 수 있지만, 철심과 솔레노이드의 자기장이 합쳐져 더 강한 자기장을 만든다.
- 플레밍의 왼손 법칙
힘-자기장-전류이지만 전류-힘-자기장도 가능하다. 시험에서 손이 안돌아간다면 시도해볼 것.
- 자기 모멘트(전동기)
자기 모멘트: 위 사진에서 자기력선과 막대자석을 일치시키기 위해 생기는 힘을 말한다.
돌아가는 힘으로, 토크나 돌림힘이라 불린다.
전동기의 기본적인 작동 원리는 자기 모멘트라고 하는 사진과 같은 현상에서 발생한다. 이때 중간의 막대자석은 토크를 받고, 전동기의 경우는 전류를 번갈아 바꿔주면서 토크의 방향을 바꾸고, 막대자석이 돌아가게 한다.
사진 1의 막대자석을 단순히 사각도선형태의 전자석으로 바꾼 것이 전동기이다. 전동기의 경우도 같다. 정류자는 전류의 방향을 토크가 0이 되는 시점에서 바꿔주는 역할을 한다. 전류의 방향이 바뀐 도선은 관성에 의해 돌아가다가 다시 토크를 받는다.
정류자가 전류의 방향을 바꾼다?
교류 전원일때는 교류전원이 알아서 전류의 방향을 바꿔주기 때문에(60Hz) 브러쉬와 정류자 없이도 회전이 가능하다. 이를 무브러쉬 모터, 또는 브러쉬리스 모터(Brushless Moter)라고 한다.
- 전자기 유도
전자기유도를 알기 전에 렌츠법칙을 알면 편리하다.
도선으로 이루어진 닫힌 회로 내에 생긴 유도 전류는 닫힌 회로를 지나는 자기력선속이 변하는 것을 방해하는 방향으로 흐른다. 인데.. 좀 더 쉽게 해석하면
(자기력선속: 자기력선에서 자기력의 크기)
렌츠의 법칙(유도 전압의 방향) : 유도 전압 또는 유도 전류의 방향에 대한 법칙으로, 전자기 유도에 의해 코일에 흐르는 유도 전류는 자석의 운동을 방해하는 방향 또는 자속의 변화를 방해하는 방향으로 흐른다. 는 법칙이다.
비슷한 법칙으로는
고전역학의 (뉴턴)관성의 법칙 – 전자기학의 렌츠 법칙 – 화학의 르샤틀리에 법칙 이 있다.
전자기유도는 단순하게도 렌츠법칙에 의해 발생되는 현상이다.
외울꺼는 자석의 운동을 방해하는 방향 정도? 이 방향을 솔레노이드에 적용시켜보면 전류의 방향을 알 수 있다. (문제는 솔레노이드의 코일의 방향을 가늠하기 힘들다는거..)
패러데이 법칙: 유도기전력의 크기는 코일 속을 지나는 자기력선속의 시간적 변화율에 비례하고, 코일의 감은 수에 비례한다.
→자석을 천천히 움직일때와 빠르게 움직일때를 비교한 그래프를 보면
(그래프는 모양만 보세요)
유도기전력의 크기는 코일의 감은 수가 같다고 할 때, 자석을 빼낸 속도의 차이에 비례한다는 것이다. 자석을 빼내는 속도가 빠를수록 유도기전력의 크기는 증가한다.
(유도기전력이 뭔지는 2쪽 참조)
플레밍의 오른손 법칙: 
플레밍의 오른손 법칙과 왼손 법칙을 비교하자면, 왼손법칙은 전기에너지로 운동에너지를 발생시킬 때 전류와 자기장의 방향이고, 오른손 법칙은 운동에너지로 전기에너지를 발생시킬 때 자기장과 전류의 방향이다. 왼손은 전동기에, 오른손은 발전기에 이용된다.
ㄴ발전기의 기본구조는 전동기와 같지만 에너지 전환과정은 반대이다
힘의 방향은 B에서 위쪽, A에서 아래쪽 이므로(시계 반대방향) B에서 자기장의 방향과 힘의 방향을 일치시켜보면 전류의 방향이 나온다. 이때 발생되는 전류에 의해 전구가 켜지게 된다.
(사진에서 두 번째 정류자는 B와 접촉해있다-A와 떨어져 있다)
01010100 01001001 01010000 00111010 00100000 01001001 01110100 00100111 01110011 00100000 01110100 01110010 01100001 01110011 01101000 00100000 01100101 01111000 01100011 01100101 01110000 01110100 00100000 01101000 01101001 01100111 01101000 01101100 01101001 01100111 01101000 01110100 01100101 01100100 00100000 01110000 01101111 01101001 01101110 01110100 00101110
01010100 01101000 01100001 01101110 01101011 00100000 01111001 01101111 01110101 00100000 01100110 01101111 01110010 00100000 01111001 01101111 01110101 01110010 00100000 01100101 01100110 01100110 01101111 01110010 01110100 00101110
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