실험결과 보고서 - 전자기이끎 현상

목차

1. Introduction

2. Theory

3. Procedure

4. Data&Results

5. Discussion

6. Reference

본문내용

자기장의 변화에 의한 전자기유도에 의한 것이다. 렌츠의 법칙에 의하면 코일에 유도되는 기전력은 시간의 변화량 분에 자기력선수의 변화량에 -를 붙인값에 비례한다. 결국 막대 자석을 빠르게 넣을 때는 단위 시간당 변화하는 자기력선수의 양이 느리게 넣을 때 보다 많으므로 기전력의 절대값이 높게 나타나는 것이다. 그리고 자석에 의해 자기력선수가 변할 때 코일 내부에서는 그 변화를 상쇄하려는 방향으로 자기장이 형성되므로 코일 내부에서는 자석을 움직이는 방향과 반대 방향으로 자기장이 생성된다. 그러므로 넣을 때와 뺄 때의 부호가 다른 것이다. 반대로 생각해서 자석이 그대로 있고 솔레노이드가 움직이는 경우 또한 같은 이치로 생각할 수 있다. 자석에 솔레노이드를 가져가면 자석을 솔레노이드에 가져가는 것과 같은 효과이며 자석에서 솔레노이드를 멀리하면 그 반대의 경우가 되는 것이다.
2) 전동기를 통한 전자기 이끌림
전동기를 하나만 돌렸을 때 전압과 전류 사이의 그래프를 보면 0.5～1V 사이에서 전류가 약간 높아졌다가 약간 떨어진 뒤 다시 직선을 이루며 상승하는 것을 알 수 있다. 이것은 전동기 내부에서 고리를 잡고 있는 부분과 고리 사이의 마찰력과 고리의 질량에 의한 관성에 의해 일정이상의 돌림힘이 가해지기 전까지는 고리가 돌지 않기 때문이다. 고리가 돌기 시작하는 수치는 전압이 1V 전류가 0.136A 일 때였다. 이 수치에 도달하기 전까지는 전류가 흘러 힘을 가해도 모터는 돌지 않는다. 이 상태에서는 저항이 일정하므로 전압이 높아지면 당연히 전류도 높아진다. 그러다가 1V 0.136A 이상의 수치가 공급되면 마찰력+관성에 의한 힘보다 돌림힘이 커져 고리는 돌기 시작한다. 일단 고리가 돌기 시작하면 유도 기전력이 생성되므로 전원에서 공급하여 해줘야 하는 일이 작아져도 된다. 그래서 전류는 급감하고 전압이 높아짐에 따라 전압과 비례관계를 이뤄 증가하게 된다. 여기서 그래프 앞부분이 저항이 일정한데 일정한 저항은 전동기 내부의 저항 뿐이므로 그래프 앞부분의 추세선을 구해서 기울기를 보면 약7Ω로 나타난다. 이것은 테스터로 구한 저항값인 4.7Ω와는 차이를 보이는데 그것은 전류가 직류가 아닌 교류라 일정하지 않고 전선의 저항이 고려되지 않았기 때문이라 생각된다.
전압과 이끌린 기전력 사이의 관계 그래프를 보면 일정한 전압과 전류 이상이 되면 고리가 돌기 시작하여 자기력선수의 변화가 생기게 된다. 그 변화는 고리가 빨리 돌수록 커지므로 전압이 높아지면 자기력선수의 변화가 커지고 그 만큼 이끌린 기전력이 커지게 된다. 이것은 그래프를 보면 전압에 이끌린 기전력이 비례하여 커지고 있는 것을 통해 확인 할 수 있다. 기전력이 커진다는 것은 곧 각속도 또한 증가한다는 것을 나타낸다.
윗식을 통해 그것을 확인 할 수 있으며 결국 전압의 증가는 각속도의 증가를 가져온다는 것을 알 수 있다.
벨트로 두 전동기를 연결하고 한 전동기에 전류를 흘려주면 어느 전압, 전류 아래에서는 멈춰있다가 특정 전압, 전류이상부터 돌기 시작한다. 두 전동기가 벨트로 연결되어있으므로 한 전동기만 돌아도 다른 전동기도 같이 돈다. 결국 특정 전압, 전류는 전류가 공급되는 전동기의 고리를 돌리는 최소한의 힘을 만족시키는 값이 되고 실험결과 3V, 0.493A 임을 알 수 있다. 한 전동기가 돌면 전원의 공급이 없는 다른 전동기도 따라 돈다. 이때 이 전동기에서는 자기력선수의 변화에 의한 전자기 이끎 현상이 나타나 전압이 걸리게 된다. 이 전자기 이끎에 의해 나타난 기전력은 그 크기가 전원이 공급된 전동기에서 발생한 유도 기전력과 비례하게 된다. 그것은 두 유도 기전력은 모두 각속도에 비례하는데 각속도가 동일하기 때문이다. 이것은 그림 3을 보면 출력전압(전원이 없는 전동기의 유도 기전력)과 이끌린 기전력이 비례하는 것을 보아 확인 할 수 있다. 입력전압과 출력전압이 차이나는 것도 이러한 이유에서 그렇다. 입력전압은 그냥 전원에서 내보내는 전압이다. 그런데 출력전압은 각속도에 의해서 결정되는 것이므로 당연히 차이가 생기게 된다. 오실로스코프로 파형을 보고 각속도를 측정하고 출력전압과 관계를 알아봤다면 더 좋았겠지만 전동기 혹은 전원이 정밀하지 못하여 각속도가 급격히 변해 관계를 알아 볼 수 없었다. 하지만 입력전압 증가에 따라 출력전압이 증가하는 것을 통해 각속도와 출력전압이 어느정도 비례함을 알 수 있다(입력 전압이 커지면 돌림힘이 증가하여 각속도가 커지고 각속도가 커지면 출력전압이 증가하는데 데이터에서 입력전압이 커질수록 출력전압이 커지는 것을 확인 할 수 있다).
벨트로 두 전동기를 연결해 놓은 상태에서 전압을 일정하게 하고 전원 공급이 없는 전동기에 부하저항을 연결하면 부하저항의 크기에 따라 출력전력이 바뀌게 된다. 이론적으로 전류가 직류이고 마찰이 없을 때 부하저항이 전동기의 내부저항과 같으면 출력전력이 최대가 된다. 실험결과 부하저항이 5Ω 정도일 때 출력전력이 최대가 되었다. 이것은 전동기 내부저항에 비해 2배정도 큰 수치이다. 이것은 이론적 조건과는 달리 전류가 교류였고 전동기 내부에서 마찰이 존재했기 때문이라고 생각된다(P=RI2에서 I가 일정하지 않고 마찰에 의해서 감소되는 에너지는 전동기를 오래 돌릴수록 열이 발생하여 변화할 수 있다). 그림 4에서 5Ω정도에서도 극점이 나오는 것을 보아 실제 출력전력이 최대가 되는 점은 5Ω정도가 아닐까 생각된다. 출력전력/입력전력을 구하면 발전기의 효율이 된다. 이 값은 8Ω에서 최고를 나타냈는데 이것은 부하저항이 커질수록 입력전류는 감소해 입력전력이 작아지는 반면 7Ω과 8Ω일 때의 출력전력이 비슷하기 때문이다. 그리고 부하저항이 커질수록 입력전류가 낮아지는 것을 확인 할 수 있었는데 이것은 내부저항과 부하저항에서 소비되는 전력이 감소하기 때문에 감소하는 것이라 생각된다. 내부저항과 부하저항에서 소비되는 에너지의 공급원은 입력전력을 통한 에너지 밖에 없기 때문이다(출력전압의 제곱을 합성저항으로 나누면 전체 출력전력은 점점 감소함을 알 수 있다. 전압의 증가량보다 저항의 증가량이 크기 때문이다).
6. Reference
http://physlab.snu.ac.kr

키워드

전자기이끎 현상,   전동기의 구조,   솔레노이드