이전 챕터 에서는 자기장과 기자력, 자기저항에 대해서 이야기했는데 이번에는 자기저항과 자화에 대해서 이야기하겠습니다.
자화가 잘 되는 물질이 있고 그렇지 못한 물질이 있다는 사실을 알고 있습니다. 자기장에 민감하게 반응하는 성질을 가진 물체를 강자성체라고 부르고 흔히 철, 코발트, 니켈등이 있습니다.
더 자세하게 들어가면 강자성 물질의 원자들은 전자의 스핀에서 비롯된 각자의 자기장을 지니고 있습니다. 자기장의 상호작용으로 인근 원자들 사이의 전자스핀 방향을 서로 일치시키려는 힘이 작용하고 이게 점점 확장을 거듭하여 결과적으로 특정 부분의 원자들이 같은 방향의 스핀을 지닌 하나의 집단을 이루게 됩니다. 이런 집단적 동화작용이 여러 구역마다 이뤄지기 때문에 이런 구역을 자기구역 즉 magnetic domain 이라고 하며 자구로 나뉘게 됩니다. 이때, 외부에서 모든 자구에 공통의 자기장이 가해진다면, 강자성체의 자구들이 외부 자기장의 방향으로 나란히 정렬하는 작용이 일어나 전체적으로 같은 자기장이 되고 자석처럼 정렬됩니다. 이를 자화라고 합니다.
자화시키는 방식은 강자성체에 코일을 감아 전류를 흐르는 방법도 있습니다. 어쨌거나 이와 같은 방식도 자기장을 형성하므로 강자성체가 같은 방향으로 자화됩니다. 강자성체는 마치 자석처럼 되며, 코일이 기존의 갖던 자속보다 훨씬 큰 자속이 형성됨을 알 수 있습니다. 코일에 삽입하는 물체를 자심이라고 하며 보통 철성분이기에 철심이라고 합니다.
철심을 자석으로 만드는 자화전류는 코일에 흐르는 전류를 뜻합니다. 결과적으로 코일의 조그만 전류가 코일의 자구들을 정렬시켜 자화시키는 것이라고 할 수 있습니다.
자기포화
철심이 자화되는 정도는 외부 자기장의 세기에 따라 달라집니다. 외부자기장이 강할수록 자구들의 정렬도가 높아지며 자속이 증가하는데 철심안에 있는 자구들이 다 정렬한다고 하면 더이상 자속이 증가하지 않습니다. 이를 포화되었다고 합니다. 그럼 이제 그래프를 보겠습니다.
철심이 있을 때를 보겠습니다. 철심이 있을 경우
기자력에 비례해서 선형적으로 증가하다 해당 강자성체의 자구들이 전부 자화되면 포화영역에 들어오게 됩니다. 자속의 변화율은 급속도로 줄게 됩니다. 이때, x축이 기자력, y축이 자속이므로 기울기는 자기저항의 역수가 된다는 것을 알 수 있습니다. 기울기 관점에서 보면, 처음에는 자기저항이 작다가 점점 커지는 것을 알 수 있겠네요. 철심이 없을 때를 보자면, 철심이 없는 경우 유의미한 변화가 없습니다. 이는 강자성체를 사용하지 않았기 떄문이겠죠
코일에 흐를 수 있는 최대 전류는 도체의 단면적에 비례하고 코일의 턴수는 도체의 길이에 비례합니다. 이 말은 결국 코일이 제공할 수 있는 최대기자력은 코일에 사용된 도체의 체적에 비례한다는 뜻입니다. 효율적으로 이용하기 위해서는, 철심을 자기포화 직전까지 자화시켰을 때가 철심의 이용효율이 최대화 됩니다. 이에 대부분의 전기기기는 철심이 경계영역까지 자화되는 범위에서 동작하게 만들어집니다.
지금까지 기자력 자속 곡선, 자화, 철심, 자구등에 공부했습니다. 모두 습득하고 가야 그 다음 챕터들을 이해할 수 있습니다. 다음 내용에는 투자율과 자화특성곡선 자기회로 공극등에 대해 이야기하겠습니다.
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