전기기기 재미있게 공부하는 한 가지 방법(히스테리시스곡선의 물리적 개념)

운동장에 수천명의 사람들이 오와 열을 맞춰서 서 있습니다! 지휘관이 좌향좌 우향우를 시키는데 천천히 구령을하면 자연스럽고 무리가 없이 동작이 되겠지만 아주 빨리 구령을 하면 왼쪽으로 돌았다가 곧바로 오른쪽으로 돌고 그 반대로도 해야 합니다! 이 때 왼쪽으로 돌았던 관성 때문에 오른쪽으로 갑자기 돌기가 힘들어 지는 것이 히스테리시스 손 입니다! 마치 전력질주로 달리기를 하다가 멈추지않고 갑자기 뒤로 돌아서 달리려면 힘든 것과 같은 원리이지요! 자계에서는 수천명의 사람이 바로 철심의 자구(磁區)가 되고 구령이 기자력의 방향이 되겠지요!  <img src="https://t1.daumcdn.net/cfile/cafe/99E6AF3C5E39709616" class="txc-image" width="900" style="clear: none; float: none;" border="0" vspace="1" hspace="1" data-filename="히스테리시스곡선.jpg" exif="{}" actualwidth="900" id="A_99E6AF3C5E39709616D6E8"/> 위의 그래프에서 히스테리시스(자기적 관성력)가 없다고 가정을 해봅니다.그러면 위의 B-H 곡선 즉  자속밀도 변화의 곡선이 A->D로 변화하고 다시 역방향의 기자력을 생성 시킬때는 D->A로 변화하게 될 것 입니다. 그 것은 도열해 있는 사람들이 좌향좌 우향우를 급하게 할때 전혀 관성력이 작용하지 않는 상태와 같습니다.그렇지만 이 자연계에서는 관성력이 작용하므로 그렇게 되지 않습니다.  실제로 모터나 전동기의 철심에 감긴 코일에 전류를 흘려서 기자력을 생성 변화시킬때 철심의자기적인 관성력 때문에 B-H 그래프, 즉 자속밀도(磁束密度)와 기자력(起磁力)의 그래프에서 자속밀도의 궤적이 펭귄의 몸통처럼 배가 부른 모습이 되어집니다.방금 좌향좌를 한 사람에게 좌측으로 작용하고 있는 관성력을 이겨내고 최초의 O 상태로 돌아오려면 힘이 드는 것 처럼 자속밀도가 원위치를 하기 위해서도 -Hc 만큼의 역방향의 기자력이 필요하게 되는 것 입니다.다시 반대방향의 기자력과 자속밀도의 생성 소멸에서도 동일한 형태의 물리현상이 발생하지요!60Hz 주파수의 교류에서는 1초에 60회의 기자력의 방향변화가 있으니 엄청난 에너지의 손실이 발생하게 됩니다. 그래서 결국 B-H 곡선이 팽권 모양으로 배가 불러져서 어떤 면적이 형성되게 되는 것이지요!그 면적이 바로 철심의 히스테리시스에 의한 에너지 손실분이 되어지는 것 입니다.   전기기기가 전기자기학을 바탕으로 이루어져 있는 사례입니다.(모든 전기공부는 전기자기학이 바탕이 될 때 근원원리를 알 수 있고 재미있어집니다) 히스테리시스 곡선의 세로축의 물리값은 자속밀도(B) 입니다.자속밀도는 어떤 단위면적내의 자속의 조밀한 정도, 즉 빽빽한 정도를 말하지요!그래서 그 단위가 [Wb/m^2]가 됩니다!히스테리시스 곡선의 가로축의 물리값은 기자력(H) 입니다.자화를 발생시키는 힘으로 자계의 세기라고 하지요!자기학의 정자계 부분의 내용을 약간만 가져오겠습니다.자계에서의 쿨롱의 법칙은 "전계에서의 쿨롱의 법칙", "중력장에서의 만유인력의 법칙"과 대응되는 이 자연계를 구성하고있는 물리적인 기본원리 입니다.자극간에 작용하는 힘=비례상수(K)*[자극1의 자속밀도(m1)*자극2의 자속밀도(m2)]/자극간의 거리의 제곱(r^2)][N] 입니다.즉 "F=k*(m1m2/r^2)[N]" 입니다. 여기서 자계의 세기에 대한 정의가 파생되어 나옵니다.자계의 세기는 두 자극 중에 하나의 자극을 1[Wb]의 단위자극을 사용했을 때 그 자극이 받는 힘을 말합니다. H=k*(m1*1/r^2)[N/Wb] 즉 어떤 자속밀도 내에 단위자극을 놓았을 때 그 단위 자극이 받는 힘의 크기를 자계의 세기라고 정의한 것이지요!이제 우리의 히스테리시스곡선의 면적이 의미하는 내용을 들여다 보겠습니다그 면적은 펭귄의 모습과 같은 외부곡선의 내부 면적인데 그래프의 궤적은 "세로축=f(가로축)"의 함수관계에 있지요!이 그래프의 면적을 구하려면 세로축의 B의 궤적을 함수의 변수인 가로축 H 값으로 f의 함수에 대해서 적분하면 됩니다.히스테리시스곡선 내부면적(S)=적분(f(H)) 이지요!적분의 원리에서 적분값은 어떤 선형함수의 가로축 변수값 미세하게 잘라서 세로축 변수값과 곱한 면적입니다.여기서 적분을 한 물리량의 단위를 생각해 봅니다.세로축 값인 자속밀도의 단위는 [Wb/m^2], 가로축 값인 자계의 세기의 단위는 [N/Wb] 입니다.적분값의 단위 계산을 해보면 "히스테리시스곡선 내부면적단위"="[Wb/m^2]*[N/Wb]=[N/m^2]" 여기서 우리가 원하는 단위체적당의 에너지 단위를 만들기 위해서 약간의 조작을 해 봅니다.[N/m^2]의 분모/분자에 [m]를 곱해주면 [N*m/m^3]이 되었습니다.우리에게 아주 익숙한 단위 이지요![N*m]=[J] 즉 에너지의 단위 입니다. 결국 히스테리시스 곡선의 내부면적의 단위는 [J/m^3]가 되는 것입니다.즉 철심의 단위체적당 히스테리시스에 의해서 손실되는 에너지가 되는 것이지요! 만약에 히스테리시스가 전혀 없는 초자성체와 같은 자기적 무관성 소재를 철심으로 사용하면 히스테리시스 곡선이 만들어지지않고 자속밀도의 궤적이 길이는 있으나 두께는 없는 하나의 직선으로 만들어지게 되겠지요! 철심에서의 에너지 손실이 전혀 없는 완벽한 전력변환설비가 만들어지는 것 입니다.즉 히스테리시스 곡선에서 면적이 발생하는 근원이유 자체가 히스테리시스 손실에서 기인한 것 입니다!자기적인 관성이 작은 소재를 철심으로 이용한 것이 아몰퍼스변압기입니다. 그래서 아몰퍼스변압기가 히스테리시스손이 적은 특성을 가지는 것입니다 이렇게 공부하면 공부가 재미있고 외우지 않아도 오래도록 기억할 수 있고, 처음에는 시간이 좀 걸리지만 어느정도 시간이 지나면 실력이 폭발적으로 확장되는 놀라운 경험을 하게됩니다.모든 행운을 빕니다