7.1 자기 7.2 전기기계의 기본원리 7.3 변압기 7.4 자기의 기타 응용 7.5 전자기파

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1 7.1 자기 7.2 전기기계의 기본원리 7.3 변압기 7.4 자기의 기타 응용 7.5 전자기파
제 7 장 자기(Magnetics) 7.1 자기 7.2 전기기계의 기본원리 7.3 변압기 7.4 자기의 기타 응용 7.5 전자기파 Nikola Tesla 2007년 1학기 전기전자공학개론

2 자기 磁氣 Magnetics 자기는 전기적인 에너지를 다양한 다른 형태의 에너지로 변환시킬 수 있다.
자기는 공간에 장(field)의 형태로 에너지를 저장한다. 인덕터 : 3장 참조 영구자석 : 외부에서 가해진 자장에 의하여 분자가 일정한 방향으로 정렬된 물질 비자성체 약자성체 강자성체 자력선 : 영구자석 주위에는 자력선이 형성된다 자력선이 나오는 곳이 N극, 들어가는 곳이 S극 다른 극 사이에는 척력, 동일 극 사이에는 인력이 작용 S N 2007년 1학기 전기전자공학개론

3 자석의 히스테리시스 곡선 외부자장에 의해 자화된 자성체는 외부 자장이 차단된 후에도 일부 자성 유지
A-B : 외부 자장의 세기에 비례하여 자속밀도 증가 B 점 : 자장이 증가하여도 더 이상 자속밀도가 증가하지 않음 : 포화 B-C : 자장이 감소함에 따라 자속밀도 감소 C 점 : 자장이 0 이 되어도 자속밀도 잔존 : 잔류자속밀도 D 점 : 재료내의 자속밀도를 0 으로 만들기 위해 가해야 하는 음의 자장 : 보자력(coercive force) 자기유도 : 영구자석 근처에 철편을 가까이하면 철편에 흡인력 발생 2007년 1학기 전기전자공학개론

4 자화(Magnetization) 자화 : 자성체를 자장속에 위치시키면 물질내부의 분자 배열이 변화하게 된다
자장 H : 코일 내에 형성되는 자장 H는 코일의 권선수, 전류에 비례하며 코일의 길이에 반비례한다 자속밀도 B : 물질의 투자율과 자장에 (비선형적으로)비례한다 자화곡선 – H와 B의 관계곡선 일반 자성체의 포화 자속밀도 : 1.2T~1.6T 전자석의 경우 도체가 흘릴 수 있는 전류의 한계 때문에 포화 자속밀도는 강자성체에 비하여 낮다 초전도체는 전류의 한계값이 매우 높기 때문에 강한 자장을 형성할 수 있다(10T 이상) NMRCT 등에 응용 2007년 1학기 전기전자공학개론

5 전기에너지의 운동에너지로의 변환 자기장 내에서 운동하는 전하가 받는 힘은 발전기와 전동기의 기본 작동 원리이다.
자장 B 내에 속도 u 로 입사한 전하 q 는 힘 f를 받기 때문에 곡선으로 운동한다. 우측 그림과 같은 전기에너지와 운동에너지 사이의 변환기(transducer)를 이용하여 양자간의 관계 고찰 fm : 기계적인 힘 fe : 전기적인 힘 2007년 1학기 전기전자공학개론

6 Electromagnetics 전자력(electromagnetic force) 전자유도 도선에 자기장을 가하면 전류가 생성된다
자계 내에 전류가 흐르는 도체를 두면 도체는 힘을 받는다 :전자력 F = B.I.l.cosq 자속밀도 : B 전류 : I 자계내의 도선 길이 : l 플레밍의 왼손법칙 : 전류, 자속 및 작용력 사이의 상관관계 표시 전자유도 도선에 자기장을 가하면 전류가 생성된다 유도되는 전압 = 유도기전력 유도되는 전류 = 유도전류 (a) 유도전압 = 자속의 변화속도와 코일의 권선수의 곱 e = N. df/dt (b) 유도전압 = 자속밀도, 자속내 도선의 길이/속도의 곱 e = B.l.v 유도기전력의 방향 : 플레밍의 오른손 법칙 2007년 1학기 전기전자공학개론

7 발전기(generator) 유도기전력(EMF) 2007년 1학기 전기전자공학개론

8 전동기(motor) 전자유도 2007년 1학기 전기전자공학개론

9 부하효과 발전기에 부하를 접속하면 폐루프가 형성되어 전류가 흐른다.
전기자 반작용 : 전류에 의해 발전기 운동의 반대방향으로 역작용력이 생성 역기전력 : 전동기가 운동을 시작하면 운동에 의해 반대방향으로 역전류 생성 2007년 1학기 전기전자공학개론

10 변압기 최초의 변압기 Ganz (독일,1885) 1:2 및 1:4 변압 유도전류를 이용하여 전압을 변환시키는 기구
철심 : 규소강판 전압, 전류와 1차/2차코일의 권선수 사이의 상관관계 a : 권수비(turn ratio) 2007년 1학기 전기전자공학개론

11 임피던스 변환기 전원이 부하로 공급할 수 있는 전력은 부하의 크기에 의존
부하저항과 전원 내부 저항이 동일할 때 최대 전력전달 가능 부하가 미리 정해져 있다면 변압기를 이용하여 부하 변환 효과 창출 가능 부하저항 R2, 일차측에서 본 등가저항 R1, 권선비 Tr=N2/N1 권선비 Tr을 적절히 조절하여 등가저항 R1 을 원하는 만큼 조절할 수 있다. 2007년 1학기 전기전자공학개론

12 승압과 강압 발전소와 전력 소비지 까지는 대부분 원거리 송전선의 저항과 송전 전류에 의해 손실 발생 P=i2R[Watt]
송전선의 전류가 대전류이면 손실도 증가 전압을 대폭 상승시키면 전류는 이에 반비례하여 감소(옴의 법칙) 송전전압은 20만볼트 내외 2007년 1학기 전기전자공학개론

13 기타 자기력 응용사례 유도가열(induction heating) : 도체에 수직으로 자속이 관통하면 맴돌이 전류(eddy current) 발생 →P=i2R[Watt]에 해당하는 열 발생 자기 조리기, 유도가열 밥솥 등 변압기의 경우자속이 관통하는 철심단면에 맴돌이 전류가 발생하면 전류손실 증가 →이를 방지하기 위해 적층형 규소강판 사용 2007년 1학기 전기전자공학개론

14 기타 자기력 응용사례 계전기(Relay) 자기기록/판독 장치 스프링과 전자석을 이용하여 기계적으로 전기 접점을 여닫는 전기소자
신호전압(주로 직류, 저전압)을 사용하여 동력(주로 교류, 고전압)을 스위칭 자기기록/판독 장치 전자석 코일을 이용한 자기력으로 산화철이 코팅된 테이프를 N-S 또는 S-N 방향으로 자화시킨다 전자유도 원리에 의해 테이프를 판독 HDD, FDD, 녹음기 등에 응용 2007년 1학기 전기전자공학개론

15 기타 자기력 응용사례 스피커-영구자석 자계 내에서 음성코일(voice coil)에 음성신호를 증폭하여 가하면 음성코일이 진동하며 스피커콘을 흔들어 음파를 생성한다 마이크-음성신호에 의한 공기압력의 변화를 전기적인 신호로 변환시키는 변환 수정 마이크 다이나믹 마이크 2007년 1학기 전기전자공학개론

16 전자기파 전장의 변화는 암페어의 법칙에 의해 자장의 변화를 일으키고 자장의 변화는 패러데이의 법칙에 의해 다시 자장의 변화를 일으킨다. 이 과정이 반복되면 전자기파(전파) 생성 전파는 라디오, TV, 각종 무선통신 등에 이용 전장과 자장은 항상 공존하며 상호 수직인 횡파 2007년 1학기 전기전자공학개론

17 전자기파의 전파 좌측의 진동 운동에 의해 물결파가 우측으로 전달되는것과 유사한 원리
도체 A 에서 전압의 진동에 의해 전자가 진동하면 전파가 발생 발생된 전파가 공간을 통해 B에 전달되면 도체 B 내부의 전자도 전파의 전장에 따라 동일한 양식으로 진동 전파는 거리의 자승에 비해 약해진다→증폭기로 증폭 가능 도체 A 는 송신안테나, B 는 수신안테나에 해당 2007년 1학기 전기전자공학개론

18 전파의 전송 전리층 반사 직접파 지표 60km 와 400km 대에는 하전입자가 모여있는 전리층 존재
전리층과 지표 사이의 다중 반사를 이용하여 소전력으로 전 세계 통신 가능 전리층의 불안정 때문에 잡음 심함 직접파 극초단파나 초단파는 전리층 관통 36,000km 적도상공의 정지궤도 위성 사용→대형 파라볼릭 안테나 필요 저궤도 위성 사용→소형 안테나의 사용이 가능하나 안테나 위치를 항상 위성에 맞춰 조절해야만 한다. 2007년 1학기 전기전자공학개론

19 안테나 수신 안테나는 전파의 진행방향과 맞추어야 한다. →전하를 진동시키는 것은 자장이 아닌 전장이기 때문 TV 안테나의 예
실제 안테나 역할은 급전선이 달린 가로보 만이 수행 앞 부분의 짧은 가로보는 입사전파의 에너지를 높여주는 도파기 뒤쪽 긴 가로보는 안테나를 통과한 전파를 다시 되돌려주는 반사기 2007년 1학기 전기전자공학개론

20 리포트 홈페이지에게시된 7장 연습문제 풀어오세요 2007년 1학기 전기전자공학개론