키르히호프 전압 및 전류 법칙(Kirchhoff's Law) / 전자유도와 기전력의 크기

키르히호프 전압 및 전류 법칙(Kirchhoff's Law) / 전자유도와 기전력의 크기

 

 

1.키르히호프 전압 및 전류 법칙

1)키르히호프 전압의 법칙

< Fig01. 키르히호프의 전압법칙 >

회로에서 가해진 전원 전압은 저항3개로 나누어져 소비된다. 즉, 부하는 3개의 저항이 되고 각저항마다 전압강하가 생긴다.

각 저항의 전압강하를 모두 합하면 전원 전압이 된다.

6V=1+2+3

 

2)키르히호프 전류의 법칙

< Fig02. 키르히호프의 전류법칙 >

 

임의의 회로에서 접속점에 흘러들어오는 전류의 합은 흘러나가는 전류의 합과 같다.즉,

가 된다. 따라서

가 된다.

정리하면, 회로망의 임의의 접속점에 흘러들어오는 전류에 + 부호, 흘러나가는 전류에 - 부호를 붙이면 접속점에 출입하는 전류의 대수합은 0 이다.

 

2. 자기의 성질과 전류에 의한 자장

1) 자기 및 자석의 성질

자철광은 쇠를  끌어 당기는 성질이 있는데,  이러한  성질의 근원을  자기(magnetism)라 하고 자기를 가지고 있는 물체를 자석(magnet)이라 한다. 또 자석을 만드는 것을 자화(magnetization)시킨다고 한다. 자석의 성질은 다음과 같다.

① 자석이 쇠를 끌어 당기는 작용은 양끝에서 가장 강하며, 그 양끝을 자극(magnetic pole)이라고 한다.

② 두 자극을 가까이 할 때 같은 자극끼리는 서로 반발하고, 다른 자극끼리는 끌어 당기는 성질이 있다.

③ 하나의 자석에는 N, S 어느 극이나 단독으로 존재할 수 없다.

④ 자석은 주위에 자기적 힘을 미치는데, 이 힘을 자력이라고 하며 자력이 미치는 공간을 자장(magnetic field)이라고 한다.

⑤ 자극의 세기는 그 자극이 가지고 있는 자기량의 크기에 따라 다르다.

 

2) 자기유도(Magnetic induction)

자성체를 자성 가까이 놓으면 자화 되는 현상을  자기유도라 하는데 자석N극에 가까운 쪽의 강철 끝은 S극이 되고  반대쪽은 N극으로 되며  이 때 N, S극의 크기는 같다.

2-1) 자성체 : 자장에 의해 자화되는 물체

① 강자성체 : 자기유도에 의하여 강하게 자화되어 쉽게 자석이 되는 물

체(철, 니켈, 코발트, 망간 및 이들의 합금)

② 약자성체

     ㉠ 상자성체 : 강자성체와 같은 극성으로 자화되는  물질로 강자성체 보다 자화 정도는 약하다.(알루미늄, 백금, 셀렌 등)

     ㉡ 반자성체 : 강자성체와 반대 극성으로 자화되는 물체로 자성체와 자석이 같은 방향으로 자화 된다.(금, 은, 구리, 아연 등)

< Fig03. 자성체의 자기유도 >

 

2-2) 분자 자석설 : 어떤 물체든지 그 물체 속에는 작은 영구자석(분자자석)을 가지고 있다고 웨버(Weber)가 주장 하였다.

 

3) 전류에 의한 자기 현상

도선에 전류가 흐르면 그 주위에는 자장이 생기는데 이 현상을 전류의 자기작용이라 한다.

< Fig04. 전류의 방향과 자력선의 방향 >

 

4) 암페어의 오른 나사의 법칙

전류로 만들어지는 자장의 자력선 방향을 간단히 알 수 있는 방법으로 오른나사의 법칙 또는 오른손 엄지 손가락 법칙이 있다.  즉  전류가 오른나사의진행 방향으로 흐르면 자계는 그 나사의 회전방향으로 발생하고  전류가 나사의 회전 방향으로 흐르면 자계는 전류의 진행 방향으로 생긴다.

 

5) 전자력

자장 내에 있는 도체에 전류를 흘리면 힘이 작용한다.  이 같은 힘을 전자력이라 하며,  전자력의 방향은 플레밍의 왼손법칙(Fleming’s left hand rule)에 의한다. 즉 왼손의 엄지, 인지, 중지를 서로 직각으로 벌리고 집게 손가락은 자장의 방향, 가운데 손가락을 전류가 흐르는 방향으로 하면 엄지가 가르키는 방향이 힘의 방향이 된다.

< Fig05. 플레밍의 왼손법칙 >

 

6) 전자유도와 기전력의 크기

6-1) 패러데이의 법칙(Faraday’s Law)

코일을 지나는 자속이 변화하면 코일에 기전력이 생기는 현상을 전자유도라 하고, 이 기전력을 유도기전력, 전류를 유도전류라 한다.  전자유도에 의하여 회로에 유도되는 기전력은  이 회로와  쇄교하는 자속이 증가 또는 감소하는 정도에 비례한다.

전자 유도에 의해서 생기는 전압의 크기는  코일을 쇄교하는 자속의 변화율과 코일의 권수의 곱(자속 쇄교수)에 비례한다.

※ 감은 횟수 N의 코일에 쇄교하는 자속 Φ가 Δt [sec]동안에 ΔΦ [Wb]만큼 변화할 때 유도 기전력은 다음과 같다.

즉 1[sec]동안에 1 [Wb]의 자속이 변화하면 1[V]의 기전력이 유도 된다.

 

6-2) 기전력의 방향

① 렌쯔의 법칙(Lenz’s Law)

전자유도에 의하여 생긴 기전력의 방향은 그 유도전류가 만들 자속이 항상 원래의 자속의 증가 또는 감소를 방해하는 방향이다.

② 플레밍의 오른손 법칙(Fleming’s right-hand rule)

자장 내를 운동하는 도체에 유도되는 기전력의 크기는 그 도체가  폐회로일 경우, 이에 흐르는 전류에 의해서 생기는 자속이 쇄교 자속을 상쇄하는 방향으로 유도한다.

유도 기전력의 방향을 쉽게 알기 위해서 오른손의 엄지와 인지, 중지를 각각 서로 직각이 되도록 하고 엄지는 도체의 운동방향, 중지는 자속의 방향을 기리키게 하면 중지는 유도 기전력의 방향을 가리킨다. 이것을 플레밍의 오른손 법칙이라 한다.

< Fig06. 플레밍의 오른손법칙 >