솔레노이드

솔레노이드

솔레노이드는 도선을 속이 빈 긴 원통형의 코일모양으로 감은 것으로 도선에 전류를 흘리면 자기장을 생성시키기 때문에 전자석이 될 수 있다.

솔레노이드가 만드는 자기장은 비오·사바르의 법칙이나 앙페르의 법칙으로 계산할 수 있다. @@NAMATH_INLINE@@\oint \mathbf B \cdot d\mathbf l = \mu_0 I@@NAMATH_INLINE@@로 주어지는 앙페르의 법칙을 이용하여 단위길이당 도선을 @@NAMATH_INLINE@@n@@NAMATH_INLINE@@회 감은 긴 솔레노이드에 전류 @@NAMATH_INLINE@@I@@NAMATH_INLINE@@를 흘려줄 때 솔레노이드 내외부의 자기장을 계산하면, 외부에서는 자기장이 거의 0이고 내부에서는 @@NAMATH_INLINE@@\mu_0 n I@@NAMATH_INLINE@@가 된다. 따라서 솔레노이드 내부에서 자기장의 크기는 감은 수와 전류에 비례하게 되며 솔레노이드가 길면 솔레노이드 내부에 비교적 균일한 자기장이 생성된다. 자기장의 방향은 비오·사바르의 법칙에 따라 코일에 흐르는 전류가 시계판에서 시계반대방향이면 시계판 위쪽으로 된다. 또한 솔레노이드 내부에 강자성체를 넣으면 자기화가 되어 전체적으로 자성이 커진다.

그림 1. 솔레노이드 ()

전기장이나 자기장을 형성하기 위해서는 에너지를 주어야 한다. 즉 솔레노이드에 전류를 흘려주어 전기에너지를 공급해 주면 솔레노이드 내부에 자기장이 형성되고 이 자기장에는 단위부피당 @@NAMATH_INLINE@@\frac{B^2}{2 \mu_0}@@NAMATH_INLINE@@의 에너지가 축적되어 전기에너지가 자기에너지로 변환된다고 볼 수 있다. 솔레노이드에 교류와 같이 시간에 따라 전류의 크기나 방향이 바뀌는 전류를 흘려주면 렌츠의 법칙에 따라 역기전력이 생기는데 이러한 현상을 이용하여 솔레노이드를 전기회로에서 인덕터로 이용할 수 있다. 단면적이 @@NAMATH_INLINE@@A@@NAMATH_INLINE@@, 길이가 @@NAMATH_INLINE@@l@@NAMATH_INLINE@@, 단위길이당 감긴 수가 @@NAMATH_INLINE@@n@@NAMATH_INLINE@@인 솔레노이드의 인덕턴스는 @@NAMATH_INLINE@@L =\frac{\mu_0 n^2 A}{l}@@NAMATH_INLINE@@이 된다. 즉 전기에너지를 자기에너지로 자기에너지를 전류에너지로 변환할 수 있는 것이다. 이러한 현상을 대표적으로 이용하는 것이 변압기이다. 변압기는 직사각형 모양의 자석의 한쪽에는 @@NAMATH_INLINE@@N_1@@NAMATH_INLINE@@ 번의 코일을 감고 맞은편 쪽에는 @@NAMATH_INLINE@@N_2@@NAMATH_INLINE@@번의 코일을 감은 것으로 1차쪽 코일에 흐르는 교류전압을 2차 쪽에 바꿀 수 있게 한 것이다. 즉 1차쪽 코일에 교류를 흘려주면 이 전류변화가 자기장 변화를 만들고 이것이 역기전력을 일으켜 2차쪽 코일에 전달하여 2차쪽 코일에 흐르는 전류의 전압을 변화시킬 수 있는 것이다. 2차 회로에서 유도되는 전압(@@NAMATH_INLINE@@V_2@@NAMATH_INLINE@@)은 1차 회로에서의 전압 (@@NAMATH_INLINE@@V_1@@NAMATH_INLINE@@)과 @@NAMATH_INLINE@@\frac{V_1}{V_2} = \frac{N_1}{N_2}@@NAMATH_INLINE@@의 관계가 있다. 솔레노이드에 전류를 흘려주면 전자석이 되어 주변의 철 등을 잡아당기는 전자석이 되고 전류를 끊으면 그렇게 되지 않는 성질을 이용하여 밸브로서 활용할 수 있다. 압축공기의 압력으로 여닫는 버스의 문이나 정수기에서 수도꼭지의 잠금장치 등이 이러한 현상을 이용한 것이다.