전자석 과 코일(애나멜선) 솔레노이드

[no.성재]

전자석 과 코일(애나멜선)

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도선에 전류가 흐르면 도선 주위 에 동심원 모양의 자기장이 형성된다. 이러한 원리를 이용하여 영구자석으로는 얻을 수 없는 매우 강력한 자 기장을 얻을 수 있다. 전자석의 철심은 어느 정도 자기화가 진행되면 전류를 더 높여도 더 이상 자기화가 진 행되지 않는다. 이를 자기포화(磁氣飽和)상태라고 한다. 전자석은 전류를 인위적으로 조정하여 비교적 쉽게 자기장의 세기를 바꿀 수 있다. 그래서 통신기의 계전기 부터 1t(톤) 이상의 무거운 재료를 끌어올리는 전자기식 기중기까지 널리 이용된다. 전류를 통해야만 자화(磁化)되는 자석을 말하며 자기(磁氣)를 계속 유지하는 영구자석과 구분된다. 전류를 통해야만 자화(磁化)되는 자석이다. 자기(磁氣)를 계속 유지하는 영구자석과 구분된다. 전류는 도선 주위에 동심원상의 자기장을 형성한다. 이 원리에 따라 가장 간단하게 자기장을 발생할 수 있는 것이 솔레노 이드(도선을 여러 번 원통모양으로 감은 코일)이다. 이 경우, 길이를 , 반지름을 , 단위길이당 권수(卷數) 를 , 전류를 로 하면 솔레노이드의 중점(中點)에서는 축방향(軸方向)으로, 에르스텟의 자기장을 만들 수 있 다. 그러나 이 자석에서의 최고 자기장은 코일의 냉각을 아무리 잘하여도 불과 0.5테슬라 이하이다. 높은 자 기장을 얻기 위한 전자석은 철제 코일을 감은 하나의 닫혀진 자기회로에 틈을 만들고, 자속밀도(磁束密度) 가 연속인 것을 이용하여 그 틈에 자기장을 발생시키는 것이다. 이 형태의 전자석은 그 특성 및 구조상으로 보아 철을 그 자기 유도의 포화값 이하 ＜∼2테슬라＞에서 사용하고 바이스(Weiss)형과 구조에 연구를 더 해 포화값에서 기대할 수 있는 이상의 자기장을 만드는 비터형으로 분류된다. 비터형에서는 내부에 발생하 는 자하(磁荷)에 의해서 자기장을 높이고 있어, 4∼5테슬라의 자기장을 발생시킬 수 있다. 또 초전도선으로 솔레노이드를 만듦으로써 액체 헬륨온도에서 고자기장을 발생시킬 수 있다. 이는 초전도자석이라 하며 이것 도 전자석의 일종이라 생각할 수 있다.

솔레노이드
가장 간단한 형태의 전자석은 원통 모양의 철심(鐵心)에 코일을 감아서 만든 솔레노이드다. 원통형으로감은 코일에 전류를 흘리면 자기장이 형성되며, 그 속에 철심을 넣으면 더 강한 자기장을 얻는다.

솔레노이드는 제조과정이 간단하고 경제성이 있어 일상 생활용품, 사무용품, 자동차부품 등 다양한 분야에 쓰인다.

초전도자석
철심을 이용한 전자석으로 얻을 수 있는 자기장의 세기에는 한계가 있다. 전류를 증가시켜도 자기포화상태에 도달하면 더 이상 자기화가 되지 않기 때문이다. 이러한 결점을 보완하기 위하여 연구되는 것이 초전도(超電導)자석이다. 초전도자석은 초전도체로 만든 도선으로 솔레노이드를 만들어 헬륨이 액체가 되는 매우 낮은 온도에서 아주 강한 자기장을 발생시킬 수 있다.

에나멜 선
절연성 에나멜을 표면에 입혀 고온으로 가열하여 만든 전선이다.1. 에나멜선의 특징피막이 얇으면서도
절연성이 높다. 또한 에나멜은 보통 1000℃ 정도에서 녹으므로 고온에도 강하고 화학약품에도 잘 변성되지 않는다. 2. 에나멜선의 활용주로 전자석을 만드는 데 많이 이용한다. 따라서 전자석이 부품으로 들어가는 변압기, 통신기 등의 권선(捲線)으로 널리 사용한다. 3. 에나멜선의 종류에나멜의 재료에 따라 포르말선, 폴리에스테르선, 내열합성(耐熱合成) 에나멜선, 유성(油性) 에나멜선 등이 있다.

전자석을 만들때  절연된 애나멜선을 감고  양끝을 탈피한후 전선을 연결하여 사용한다.

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1) 전자석의 원리

가) 전자석의 특징
전류에 의해 자기화 되고, 전류를 끊으면 자기화 되지 않은 원래의 상태로 돌아
가는 자석을 말한다. 전자석의 특징을 살펴보면 다음과 같다.
(1) 전자석은 전류가 통하면 자석의 성질을 띠고 전류가 통하지 않으면 자석의
성질을 잃는다.
(2) 전자석에 철가루를 뿌리면 자기력선이 나타난다.
(3) 전자석은 전류가 흐르는 방향이 바뀌면 극이 바뀐다.
나) 전자석의 극
전자석의 한쪽 끝에 나침반을 가까이 가져갔을 때, 자침의 N극이 끌리면 전자석
의 그 끝은 S극이고, 반대쪽은 N극이다. 전자석의 자극은 다음 그림과 같이 오른손
을 이용하면 쉽게 알 수 있다. 즉, 전류가 흐르는 방향으로 네 손가락을 감아쥐었을

때 엄지손가락이 향하는 쪽이 N극이다.

다) 솔레노이드
투자율이 큰 원통 모양의 철심에 코일을 감아서 만든 솔레노이드이다. 철심이 없
어도 전류가 지나는 코일은 원래 자석과 동등한 자기장을 가지지만 그 속에 철심을
넣으면 철이 강력하게 자기화 되고, 그것으로 인한 자기장이 가해져서 한층 강력한
자석이 된다.

1) 전자석 만들기
가) 센 전자석을 만드는 방법 찾기
(1) 코일의 조건에 따른 전자석의 세기
(가) 코일의 굵기에 따른 전자석의 세기
▷ 코일의 굵기를 0.25㎜, 0.5㎜, 1㎜로 달리하였다.
▷ 철심에 코일 4M로 똑같이 감고(모터를 이용해서 감음) 전자석에 베어링이
붙는 개수를 세어 보았다.
(나) 코일의 감은 수에 따른 전자석의 세기
▷ 에나멜선 0.25㎜를 철심에 4M, 6M, 8M로 감기를 달리하여 전자석의 세기를
비교하였다.

(2) 전류의 세기에 따른 전자석의 세기
▷ 철심에 애나멜선(0.5㎜, 4M)을 감은 전자석에 전류(A)를 고정하고 전압(V)
을 달리하여 전자석의 세기를 비교하였다.

(3) 철심의 조건에 따른 전자석의 세기
▷ 지름 8㎜의 쇠못과 지름 8㎜의 철사, 지름 8㎜의 연철심(규소강판)에 각각
애나멜선(0.5㎜, 4M)을 감고 전압(24V)을 흘려 전자석의 세기를 비교하였다

[ 결론 ] 

(1) 위 실험에서 본 바와 같이 일반적인 쇠못이나 철사보다는 규소강판으로 만들
어진 연철심이 더 강한 전자석이 된다.

(2) 쇠못은 강철을 연철로 만들어 전자석으로 사용하였으나 전류를 오래 흘릴수록
자화가 잘 되어 베어링이 붙어 있는 경우가 발생하였다.

(3) 코일의 굵기는 1㎜가 실험결과 가장 전자석의 세기가 세진다고 하였으나 전자
석의 발열이 문제가 되어 가장 가는 0.25㎜의 에나멜선을 최대한 많이 감아(전기모
터를 이용하여 5,000번 감기) 저항을 만들어 줌으로써 전자석의 과다한 발열 문제를
해결하였다.

(4) 전자석 세기 실험결과 12V와 24V의 결과값에 큰 차이가 없었다...

     하지만 전압이 높을 수록 더 강한 전자석이 된다.

[출처] 전자석 과 코일(애나멜선)|작성자 열정