렌츠 법칙, 패러데이 법칙, 암페어 법칙 , 맥스웰 방정식

렌츠 법칙, 패러데이 법칙, 암페어 법칙 , 맥스웰 방정식

 

 

 

1. 렌츠의 법칙(Lenz’s Law)

유도 전류가 흐르는 방향을 정해주는 법칙으로, 패러데이의 전자기 유도 법칙의 한 부분입니다. 즉, 유도 전류는 항상 그 원인이 되는 자기장의 변화를 방해하는 방향으로 흐릅니다.

1) 자석을 코일 안으로 넣을 때

· 자석의 N극을 코일 쪽으로 가져오면 코일 내부의 자기장이 증가함

· 코일은 이 변화를 막기 위해 N극을 향해 반발하는 방향으로 전류를 발생시킴

즉, 코일이 자석을 밀어내는 방향의 자극을 만들도록 전류가 흐름

 

2) 자석을 코일에서 빼낼 때

· 자석이 멀어지면 자기장이 감소함

· 코일은 이를 막기 위해 N극을 끌어당기는 방향으로 전류를 만듦

즉, 코일이 자석을 붙잡으려는 방향으로 전류가 흐름

 

3) 렌츠의 법칙 활용

· 발전기(Generator)

· 전자레인지 고리코일

· 자동차 점화 코일

· 자기 제동(전철, 롤러코스터 브레이크)

· 인덕션 레인지

 

4) 렌츠 법칙 vs 물체의 운동(작용 반작용)

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변하는 자기장이 전류를 만들 때 전류의 방향은 자기장의 변화를 방해하는 방향

① 힘(관성)의 변화에 의해 속도의 변화가 생기는데 그 방향은 힘의 방향과 관계가 있다.

② 작용-반작용으로 작용한 힘의 방향과 반작용의 힘의 방향을 알 수 있다.

 

 

 

2. 패러데이의 전자기 유도 법칙(Faraday’s Law)

변하는 자기장이 전압(유도기전력, EMF)을 만들어낸다는 전자기학의 핵심 원리입니다. 즉 코일을 통과하는 자기장이 변하면 전기가 생긴다. 자기장이 코일을 통과하는 양(자속, Magnetic Flux)이 시간에 따라 변하면, 그 변화에 ‘저항’하려는 방향으로 전류가 생깁니다. 이때 나타나는 전압을 유도기전력(Induced EMF)이라고 해요.

 

1) 유도기전력 공식

 

2) 패러데이 법칙의 사용 예시

① 코일 안에서 자석을 움직일 때

· 자석을 가까이 가져오면 → 자기장이 강해짐 → 전기가 발생

· 자석을 멀리하면 → 자기장이 약해짐 → 전기가 발생

· 즉, ‘움직임’이 있어야 전기가 생김

② 발전기의 원리

· 코일을 자기장 속에서 회전시키면 자기장이 계속 변함 → 전압 생성 → 전력 생산 → 그래서 발전기는 회전 운동으로 전기를 만들어냄!

③ 송배전 변압기(트랜스)

· 1차 코일에 교류(AC)를 넣으면 자기장이 계속 변함 → 2차 코일에 전압 발생 → 전압을 올리거나 내리는 기능 수행

 

3) 페러데이 법칙 vs 물체의 운동(속도와 가속도)

변하는 자기장이 전류를 만든다.

① 속도를 줄이거나 늘려야 할 때 힘(관성)의 변화가 필요하다.

② 힘(관성)의 변화에 의해 속도의 변화가 생긴다.

 

3. 암페어 법칙(Amperes’s Law)

전류가 흐르면 그 주위에 자기장이 형성된다는 전자기학의 핵심 법칙입니다.

전동기, 변압기, 코일, 인덕터 등 모든 전기·전자 장치의 기본 원리죠.

1) 암페어 법칙의 기본 형태

암페어 법칙은 폐회로를 따라 자기장을 적분하면 그 안을 통과하는 전류의 양과 같다는 내용을 담고 있습니다.

 

2) 맥스웰 방정식에서의 암페어 법칙(개정된 형태)

맥스웰은 암페어 법칙이 변위전류(displacement current) 를 포함해야 완전해진다는 것을 발견했습니다.

 

이 항 덕분에 전파(빛 포함) 가 공간을 전파할 수 있게 됩니다.

 

3) 암페어 법칙 vs 물체의 운동(관성의 법칙)

전류가 흐르면 자기장이 생긴다.

① 일정 속도로 운동(전류)하는 물체는 관성(자기장=전류적 관성)을 갖는다.

② 멈추거나 속도를 줄일 때 관성(자기장)이 나타난다.

 

4) 실생활/전기기기에서 암페어 법칙의 적용

① 코일·인덕터 설계

· 전류가 감긴 횟수(N)에 비례하여 자기장이 증가 → 자속 계산, 인덕턴스 계산에 이용

② 전동기·변압기 원리

· 전류 → 자기장 → 힘/유도 현상

③ 자기 차폐 설계

· 전류로 인해 생기는 자기장을 예측하여 차폐 구조 계산

④ 버스바(대전류) 자기력 계산

· 두 도선 사이 작용하는 힘 계산(F = μ₀ I₁I₂ / 2πr)

 

 

4. 맥스웰 방정식(Maxwell’s Equations)

전기장(E)과 자기장(B)이 시간에 따라 어떻게 생성되고 변화하는지 설명하는 전자기학의 핵심 공식입니다. 4개의 식으로 이루어져 있고, 각각의 의미는 다음과 같습니다.

1) 가우스의 법칙 (전기장)

전기장은 전하로부터 나온다.

· 전기장의 발산(divergence)이 전하 밀도 ρ에 비례

· 양전하는 전기장을 “밖으로” 내보내고, 음전하는 “들여보냄”

 

2) 가우스의 법칙 (자기장)

자기홀극(Monopole)은 존재하지 않는다.

· 자기장은 “시작”이나 “끝”이 없음

· 자석은 항상 N극/S극이 쌍으로 존재

 

3) 패러데이의 전자기 유도 법칙

변하는 자기장은 전기장을 만든다.

· 시간이 변하는 자기장이 회전하는 전기장(유도전압)을 생성

· 코일 발전기, 변압기 원리

 

4) 앙페르-맥스웰 법칙

전류 + 변하는 전기장은 자기장을 만든다.

· 전류가 흐르면 자기장이 생김

· 전기장이 시간에 따라 변해도 자기장이 생김(맥스웰이 추가한 항)