전자기유도현상을 응용한 자이로 드롭

소개글

전자기유도현상을 응용한 자이로 드롭에 대한 보고서 자료입니다.

목차

￭ 설계 목표

￭ Flow Chart

￭ 관련 이론

￭ 작품 사진

￭ Trouble Shooting

￭ 역할 분담

본문내용

전력기기실험
2차 설계 결과 보고서
- 전자기유도현상을 응용한 자이로 드롭 -
목 차
설계 목표
Flow Chart
관련 이론
작품 사진
Trouble Shooting
역할 분담
설 계 목 표
주제 선정에는 이번 2학기 실험과 설계의 주제인 전자기 유도 현상 응용을 전자석을 이용하여 구현하는데 주안점을 두었다. 그 결과 자이로 드롭에서 아이디어를 얻어 작품을 제작하게 되었다.
Flow Chart
작품 설계에 있어서 구상한 플로우 차트이다. 영전자 동작에서부터 시작해 각 실행 단계에서의 실행 여부와 그에 따른 해결방안을 미리 플로우 차트를 통해 구상해 보았다.
관 련 이 론
전자기 유도 법칙
전류가 자기장을 형성한다는 사실이 알려지고 나서 자기장을 이용해 전류를 만들 수 있지 않을까 하는 의문이 자연스럽게 생겼다. 패러데이와 헨리는 각각 전선 코일 속에 자석을 넣었다 뺐다 하는 단순한 운동으로 전선 속에 전류가 흐른다는 사실을 발견하였다. 이때 기전력을 만드는 것은 코일에 대한 자석의 상대적인 운동에 의한 자기장의 변화이다. 자석이 도체 주위를 움직이거나 도체가 자석 주위를 움직이는 두 가지 경우 모두 전선에 기전력이 유도되며 도선에 유도전류가 흐른다 .도선에 흐르는 전류의 크기는 코일에 감긴 전선의 수와 코일을 통과하는 자기장의 시간당 변화율에 비례한다. 이처럼 전자기유도에 의해 회로 내에 유발되는 기전력의 크기는, 회로를 관통하는 자기력선속의 시간적 변화율에 비례하며, 이 관계를 나타낸 것을 패러데이의 법칙이라고 한다.
패러데이의 법칙
전선이 loop모양으로 되어 있을 때, loop 내의 자기장이 변하면, 변화에 비례하는 기전력(전압)이 생긴다는 법칙이다. 자기력선의 개념을 이용하여 패러데이의 법칙을 설명하면 다음과 같이 된다. 그림은 자기력선이 한 바퀴 감긴 전선(loop)사이를 지나고 있는 모습이다. 여기서 자속(Φ)는 자기력선의 量인데 이 값이 클수록 더많은 자기력선이 있다는 것을 의미한다. Loop의 면적이 크면 더 많은 자기력선이 지나갈 것이다.
패러데이의 법칙은 loop에 생기는 전압은 자기력선의 변화량에 비례한다는 것으로,식으로 나타내면 다음과 같다. 식에 - 부호가 붙은 것은 전류를 흘릴 때 발생하는 자기장의 방향과 자기장이 커질 때 발생되는 전류의 방향이 반대이기 때문이다. 이것을 정리한 것이 “자기장의 변화를 방해하는 방향으로 전류가 흐른다”라는 렌츠의 법칙이다.이 기전력(전압 : V)는 단위시간에 한 단면적을 통과하는 磁束量이다.이때 코일이 감겨져 있으면 감은수만큼 곱해주어야 한다.

수학적인 표현으로 나타내면 다음과 같이 된다.

식에서 E 는 전기장의 세기이다.결론은 다음과 같이 된다.



렌츠의 법칙
패러데이의 법칙이 유도기전력의 크기라면 렌츠의 법칙은 유도기전력의 방향에 대한 법칙이다.렌츠의 법칙은 자속의 변화가 생길때 유도전류는 자속의 변화를 방해하는 방향으로 생긴다. 이것이 렌츠의 법칙인데 어떻게 유도되는 전류의 방향을 찾을까?
앙페르의 오른손 법칙을 이용하면 간단하다.앙페르의 오른손법칙을 이용하는 법은 오른손에서 엄지손가락을 제외한 나머지 손가락이 전류의 방향이 되고 엄지손가락이 n극 의 방향을 나타낸다.엄지손가락이 가리키는 방향의 반대방향은 s극이 된다.
(a) 를 예로들면 n극이 다가오므로 렌츠의 법칙에 의해 n극이 가까워 지는것을 방해하려면 코일의 위쪽이 n극이 되야하므로 엄지손가락은 윗방향이 되고 나머지 손가락의 반시게 방향로 감싸지므로 유도전류는 반시계방향이 된다.
(b)의 경우는 n극이 멀어지므로 렌츠의 법칙에 의해 n극이 멀어지는것을 방해하려면 코일의 윗쪽이 s극이 되어야하므로 엄지손가락은 아랫방향이 되고 나머지 손가락은 시게방향으로 감싸지므로 유도전류는 시계방향이 된다.
Simulation
설계 작품의 가상 시물레이션 모습이다. 코일을 감은 자이드롭의 몸체가 자석이 부착되어 있는 기둥을 통과할 때 원하는 만큼의 충분한 전력을 발생시키기 위해 약 3,000여번의 코일을 감아주었다.
작 품 사 진
낙하가 끝난 후의 모습
설계 작품의 전체적인 모습
설계 작품의 하단 부
Trouble Shooting
1. 설계 주제 변경
예비 제안서에서는 전자기 유도현상을 응용한 자기부상 열차를 구상해보았다. 하지만 자기부상 열차를 설계하는데 있어서는 전자석의 세기와 거리, 코일의 균등한 전력 발생, 열차를 부동의 상태로 공중에 부양 시키는 것에 있어서의 어려움 등 한정된 시간 내에 구현하기에는 어려운 면이 매우 많았다. 여러 가지 작품을 구상해 보았었으나 다른 조들이 제안서 발표때 했었던 주제와 겹치는 부분이 많아 차별화를 주기 위한 아이디어를 생각하다 본 설계 작품을 선택하게 되었다.
1. 척력을 이용한 충격 완화 실패
처음에 구상했던 내용은 자이로 드롭의 몸체가 낙하를 끝마쳤을 때 바닥과의 충돌을 자이로 드롭의 몸체와 기둥 하단부에 부착한 자석들의 척력을 이용해 구현하려 하였다. 하지만 몸체가 떨어지면서 발생하는 가속도의 세기 때문에 충돌의 세기를 완화시키기 어려웠고 자석의 측면에서 발생하는 인력 때문에 몸체가 딸려가는 증상이 발생했다. 이런 부분을 해결하고 애초에 목적했었던 충격의 최소화를 위해 자석에서 스폰지로 충격흡수를 대신하였다.
역 할 분 담
추 진 일 정

키워드

전자기유도현상,   자이로,   드롭,   법칙,   유도,   방향,   전류