패러데이의 전자기 유도 법칙
도선 고리를 관통하는 자기장이 변하면, 전지를 연결하지 않아도 고리에 전압이 생긴다. 자기장을 더 빨리 바꿀수록 더 큰 전압이 생기고, 이것이 발전기가 운동을 전기로 바꾸는 정확한 방식이다.
공식
ε = −ΔΦ / Δt
- ε — 유도 기전력 (V): 고리에 생기는 전압
- Φ — 자속 (Wb): 고리를 관통하는 자기장의 양
- t — 시간 (s): 자속 변화에 걸리는 시간
풀이 예제
고리를 관통하는 자속이 3초에 걸쳐 6 Wb 줄어든다. 유도되는 전압은?
- ΔΦ = 6 Wb
- Δt = 3 s
- ε = −ΔΦ / Δt
- ε = −(6 Wb) / (3 s)
ε = −2 V
스스로 확인하기
자속은 같이 6 Wb 변하지만, 이번에는 3초가 아닌 2초 만에 일어난다. 유도 전압의 크기는?
- 2 V
- 정답: 3 V
- 12 V
맞았습니다! 변화가 빠를수록 전압이 큽니다: 6 Wb ÷ 2 s = 3 V.
렌츠의 법칙에 따르면, 변화하는 자속에 의해 유도되는 전류는 자기장을 어느 방향으로 만듭니까?
- 정답: 자속 변화에 반대되는 방향
- 자속 변화와 같은 방향
- 자속에 영향을 주지 않는다
그렇습니다 ― 유도 전류는 항상 자기를 만든 변화에 반대하여 싸우며, 이것이 식에 마이너스 부호가 있는 이유입니다.
어디서 볼 수 있나요
지구상의 모든 발전소는 이 법칙을 산업 규모로 구현한 것이다: 회전하는 자석이 코일을 지나며 변하는 자속을 훑으면, 벽 콘센트까지 닿는 전압이 나온다. 자전거 발전기는 주머니 판이다 — 페달을 밟으면 자석이 돌고, 회로에 전지가 없어도 헤드라이트가 빛난다.
흔한 오해
본질은 변화이다: 아무리 커도 완벽하게 일정한 자기장이 고리를 통과하면 아무것도 유도되지 않는다 — 전압을 만들어 내는 것은 변하는 자속뿐이다, ε = −ΔΦ / Δt. 그리고 이것은 양이 아니라 변화율이다: 같은 6 Wb 변화를 3 s가 아닌 2 s에 일으키면 전압은 2 V에서 3 V로 올라간다. 그리고 마이너스 부호는 렌츠의 법칙이다 — 유도 전류는 항상 자신을 만든 변화에 반대하며, 공짜 점심은 허용하지 않는다.
어떻게 연결되는가
이것은 로렌츠 힘이 시작한 짝을 완성한다: 자기장은 전하를 밀고, 이제 변하는 자기장이 전하를 움직이게 하는 전압을 만든다 — 전지는 필요 없다. 렌츠의 반대 밀기는 에너지 보존이 하는 말이고, 다음의 교류 공진은 이 유도 전압이 앞뒤로 밀려대는 회로 속에서 축전기를 만날 때 일어나는 일이다.