전자석은 우주의 기본 힘 중 하나이며 전기장과 자기장에서 빛에 이르는 모든 것을 담당합니다. 원래 과학자들은 자기와 전기가 별도의 힘이라고 믿었습니다. 그러나 19 세기 후반에이 연구는 양전하와 음전하가 하나의 힘 (즉, 자기)에 의해 지배된다는 연구 결과가 결론적으로 밝혀지면서 변화했다.
그 이후로 과학자들은 전자기장을 테스트하고 측정하고이를 재현하려고 노력했습니다. 이를 위해 전류를 사용하여 자기장을 유도하는 전자석 인 전자석을 만들었습니다. 그리고 과학 기기로서의 최초 발명 이후 전자석은 전자 장치 및 산업 공정의 일반적인 특징이되었습니다.
전자석은 전류가 통과 할 때 다른 금속 물체에만 자기 인력을 표시한다는 점에서 영구 자석과 구별됩니다. 이것은 자기 인력의 힘을 제어하고 마음대로 켜고 끌 수 있다는 점에서 많은 이점을 제공합니다. 이러한 이유로 자기 상호 작용이 필요한 모든 곳에서 연구 및 산업에 광범위하게 사용됩니다.
전자석의 역사 :
전기와 자기의 관계에 대한 최초의 기록 된 발견은 1820 년 덴마크 과학자 Hans Christian Orsted가 근처의 배터리를 켰을 때 자기 바늘의 바늘이 자기의 북쪽을 향하고 있음을 발견했을 때 발생했습니다. 이 편향으로 인해 빛과 열과 마찬가지로 전류가 흐르는 전선의 모든면에서 자기장이 방출된다고 확신했습니다.
그 후 얼마 지나지 않아 그는 전류가 와이어를 통해 흐를 때 자기장이 생성된다는 것을 수학적으로 보여주는 그의 연구 결과를 발표했습니다. 4 년 후 영국의 과학자 윌리엄 스터 전 (William Sturgeon)은 구리선으로 감싼 말굽 모양의 철 조각으로 구성된 최초의 전자석을 개발했습니다. 전류가 와이어를 통과하면 다른 철 조각을 끌어 당기고 전류가 멈 추면 자화가 손실됩니다.
현대 표준으로는 약하지만 Sturgeon의 전자석은 잠재적 인 유용성을 보여줍니다. 무게는 200 그램 (7 온스)이지만 단일 전지 배터리의 전류만으로 약 4kg (9 파운드) 인 물체를 들어 올릴 수 있습니다. 결과적으로 전자석과 전기 역학의 특성에 대한 연구가 강화되기 시작했습니다.
1930 년대에는 미국 과학자 Joseph Henry가 전자석 디자인을 개선했습니다. 그는 절연 전선을 사용하여 단일 코어에 수천 번의 전선을 배치 할 수있었습니다. 결과적으로 그의 전자석 중 하나가 최대 936kg (2,063 파운드)의 무게를 지탱할 수있었습니다. 이것은 전자석의 사용에 대중화 효과를 가져야했다.
전자석의 종류 :
전선에 흐르는 전류는 암페어 법칙으로 인해 전선 주위에 자기장을 생성합니다. 이 법칙은 폐쇄 루프 경로에 대해 길이 요소의 방향으로 길이 요소에 자기장을 곱한 값의 합은 루프에 포함 된 전류의 투과성 시간과 같다고 명시하고 있습니다.
전자석에 자기장을 집중시키기 위해, 와이어는 코일에 여러 번 감겨 서 회전 와이어가 가장자리를 따라 나란히 놓 이도록합니다. 와이어 턴에 의해 생성 된 자기장은 코일의 중심을 통과하여 강한 자기장을 생성합니다. 필드 라인이 나오는 자석의 측면은 북극.
나선 모양의 와이어 코일을 "솔레노이드"라고합니다. 그러나 강자성 물질 (즉, 철)이 코일 내부에 배치되면 훨씬 더 강한 자기장이 생성 될 수 있습니다. 이것이 바로 "강자성-코어"(또는 "철-코어 전자석")이며 코일의 강도보다 천 배의 자기장을 생성 할 수 있습니다.
그 다음 강선 자성 코어 주위에 와이어가 감겨있는“toirodal core”는 폐쇄 루프 (일명 자기 회로)의 형태를 취합니다. 이 경우, 자기장은 폐쇄 루프의 형태를 취하므로 공기보다 자기장에 대한 "저항"이 훨씬 적습니다. 결과적으로 대부분의 자기장 경로가 코어 내에 있으면 더 강한 자기장을 얻을 수 있습니다.
그리고 "초전도"전자석이 있는데, 초전도 재료 (니오븀 티타늄 또는 이붕 소 마그네슘 등)로 만들어진 코일 와이어로 구성되어 있습니다. 이 전선은 또한 극저온으로 유지되어 전기 저항을 최소화합니다. 이러한 전자석은 일반 와이어보다 훨씬 더 큰 전류를 전도하여 모든 전자석의 가장 강한 자기장을 생성 할 수 있으며 에너지 손실이 없기 때문에 작동 비용이 저렴합니다.
전자석에 대한 현대적인 용도 :
오늘날 대규모 산업용 기계에서부터 소규모 전자 부품에 이르기까지 전자석에 대한 수많은 응용 분야가 있습니다. 또한 전자석은 특히 초전도성과 빠른 가속이 요구되는 과학적 연구 및 실험을 수행하기 위해 광범위하게 사용됩니다.
전자기 솔레노이드의 경우, 균일 한 (즉, 제어 된) 자기장이 필요할 때마다 사용됩니다. 철 또는 다른 강자성 코어를 삽입하거나 제거하여 자석의 전계 강도를 강화할 수있는 철 코어 전자석도 마찬가지입니다. 그 결과 전자 페인트 볼 마커, 핀볼 기계, 도트 매트릭스 프린터 및 연료 인젝터에서 솔레노이드 자석이 일반적으로 사용되며, 특정 부품의 제어 된 움직임을 보장하기 위해 자기가 적용 및 제어됩니다.
매우 강력한 자기장, 낮은 저항 및 고효율을 생성하는 능력을 감안할 때 초전도 전자석은 종종 과학 및 의료 장비에서 발견됩니다. 여기에는 병원의 자기 공명 영상 (MRI) 기계 및 핵 자기 공명 (NMR) 분광계, 질량 분석기 및 입자 가속기와 같은 과학적 기기가 포함됩니다.
전자 장비는 음악 장비와 관련하여 광범위하게 사용됩니다. 여기에는 스피커, 이어폰, 전기 벨, 테이프 녹음기와 같은 자기 녹음 및 데이터 저장 장비가 포함됩니다. 멀티미디어 및 엔터테인먼트 산업은 전자석에 의존하여 VCR 및 하드 디스크와 같은 장치 및 구성 요소를 만듭니다.
전기 에너지를 기계적 토크로 변환하는 모터 인 전기 액추에이터도 전자석에 의존합니다. 전자기 유도는 전력 변압기가 기능하는 수단이기도하며 전력선을 따라 교류 전압을 증가 또는 감소시키는 역할을합니다.
요리, 제조 및 의료 치료에 사용되는 유도 가열은 또한 전류를 열 에너지로 변환하는 전자석에 의존합니다. 전자석은 또한 자기 인력을 사용하여 무거운 물체를 들어 올리는 자석 리프터 또는 고철에서 강자성 금속을 분류하는 자석 분리기와 같은 산업 응용 분야에도 사용됩니다.
마지막으로, 자기 부상 열차의 적용이 있습니다. 열차가 트랙 위로 공중에 부상 할 수 있도록 전자기력을 사용하는 것 외에도 초전도 전자석은 열차를 고속으로 가속시키는 역할을합니다.
요컨대 전자석의 사용은 사실상 무한하며 소비자 기기 및 중장비에서 대중 교통에 이르기까지 모든 것을 지원합니다. 미래에는 이온 추진 시스템이 자기장을 사용하여 하전 입자 (즉, 이온)를 가속하고 추력을 얻는 공간 이동을 담당 할 수도 있습니다.
우리는 여기 스페이스 매거진에서 전자석에 관한 많은 흥미로운 기사를 썼습니다. 여기 누가 전기를 발견 했는가?, 자석은 무엇인가?, 자석은 어떻게 작동합니까?, 지구 자기장 및 이온 추진력이 있습니다.
자세한 내용은 NASA 교육 리소스의 전자석 실험 및 전자석 역할을하는 지구의 역할 및 오로라 생성 및 전자석의 NASA 파장 페이지를 확인하십시오.
Stuff Works의 "전자석 작동 방법 소개"라는 제목의 훌륭한 페이지도 있으며, National Lab 자기장 실험실 (MagLab)에는 전자석, 전자기 만드는 방법 및 작동 방식에 대한 훌륭한 기사가 있습니다.
천문학 캐스트를 확인할 수도 있습니다. 에피소드 103은 전자기력에 관한 것입니다.
