전자기 유도와 패러데이 법칙

코일 가까이 자석을 움직이면 전지가 없어도 전류가 흐를 수 있습니다. 중요한 것은 자기장이 “있다”는 사실이 아니라, 코일을 통과하는 자기 선속이 시간에 따라 변한다는 사실입니다. 발전기, 무선 충전, 변압기는 모두 이 변화에서 출발합니다.

전자기 유도는 방향 판단이 까다롭습니다. 패러데이 법칙은 유도 기전력의 크기를 주고, 렌츠 법칙은 그 방향이 원래 변화를 방해하는 쪽임을 알려 줍니다. 이 음수 부호는 장식이 아니라 에너지 보존을 지키는 핵심 표시입니다.

오늘의 한 문장#

전자기 유도는 자기 선속의 변화가 전압을 만들고, 그 방향은 변화를 거스르도록 정해지는 현상입니다.

꼭 익힐 말#

자기 선속은 자기장을 세는 값이지만, 반드시 면의 방향까지 함께 정해야 합니다. 면에 수직인 법선 방향을 기준으로 자기장이 같은 방향이면 양의 선속, 반대 방향이면 음의 선속으로 둘 수 있습니다. 부호 규약을 정해야 렌츠 법칙도 일관되게 적용됩니다.

선속은 어떻게 변하는가#

선속 변화 경로는 크게 세 가지입니다. 첫째, 자기장 B 자체가 세지거나 약해집니다. 둘째, 코일 면적 A가 바뀝니다. 셋째, 면의 방향이 돌아가 θ가 바뀝니다. 발전기는 주로 회전으로 θ를 바꾸고, 자석을 코일에 넣는 실험은 코일을 통과하는 B를 바꿉니다.

렌츠 법칙은 “생긴 전류가 원인을 없앤다”가 아니라 “변화를 방해한다”는 뜻입니다. 코일 안쪽으로 들어오는 자기 선속이 증가하면 유도 전류는 그 증가를 줄이는 방향의 자기장을 만듭니다. 반대로 자석이 멀어져 선속이 감소하면, 감소를 막기 위해 원래 방향의 자기장을 보태려 합니다.

수식과 단위 읽기#

• Φ_B = BA cosθ: 균일 자기장과 평평한 면에서의 자기 선속입니다. B는 T, A는 m^2, Φ_B는 Wb입니다.
• ε = -N ΔΦ_B / Δt: 코일 감은 수가 N이면 각 감김의 효과가 더해집니다. 음수 부호는 유도 기전력이 선속 변화를 방해하는 방향임을 나타냅니다.
• V_s / V_p = N_s / N_p: 이상적인 변압기에서 교류 전압비는 감은 수 비와 같습니다. 직류에서는 지속적인 선속 변화가 없어 같은 방식으로 작동하지 않습니다.

예시와 오개념#

200번 감긴 코일에서 선속이 0.03 Wb만큼 0.10 s 동안 감소하면 유도 기전력 크기는 |ε| = 200 × 0.03 / 0.10 = 60 V입니다. 방향은 “감소를 막는 자기장”을 만들도록 정합니다.

오개념은 자석이 코일 가까이에 멈춰 있기만 해도 계속 전류가 흐른다는 생각입니다. 선속이 일정하면 유도 기전력은 0입니다. 또 렌츠 법칙의 음수 부호를 단순히 계산상 음수로만 보면 안 됩니다. 실제로는 외부에서 자석을 움직이는 일을 해야 전기 에너지가 생긴다는 에너지 장부를 표시합니다.