전자석

솔레노이드

솔레노이드

협의적으로는 솔레노이드란 전류를 에너지로 하여 역학운동을 일으키는 전기 역학 장치를 지칭한다. 가장 간단한 형태의 솔레노이드는 그림1에 나타나 있듯이 코일을 감싸고 있는 철구조물과 코일 내부에서 움직이는 원주형 심봉으로 구성된다.

교류 전원에 대하여 고형 구조물은 철손으로 인해 효율을 제한하므로 적층판 구조물이 사용되는데, 이 적층판 구조물은 적절한 형태로 잘려진 각 판 사이에 절연 유약을 칠하여 겹쳐 놓은 얇은 철판 묶음으로 만들어져 있다. 코일이 에너지를 받으면 심봉은 심봉과 구조물 간의 자기 인력으로 인해 코일 내부로 움직여 구조물과 접촉하게 된다.

교류 솔레노이드는 직류 솔레노이드보다 완전 개방 위치에서 더욱 강력하다. 이는 코일의 인덕턴스로 인해 높은 초기 전류가 심봉과 구조물 사이의 공간간격에 의해 낮아지기 때문이다. 솔레노이드가 폐쇄 위치로 되면, 공간간격이 줄어들고 코일의 인덕턴스가 증가하며, 흐르는 교류 전류도 감소된다. 만약 교류 솔레노이드를 개방위치에 고정시켜 놓는다면 코일은 타버릴 것이다.

솔레노이드가 완전 개방되는 큰 공간간격이 생기면 이 간격의 높은 자기저항은 주어진 기자력에 대하여 자기회로의 자속을 낮추며, 심봉에 가해지는 힘도 이에 상응하여 줄어든다. 심봉이 폐쇄되면, 자기저항 값이 떨어지고 자속이 증가하여, 심봉에 대한 힘은 점차로 증가한다. 솔레노이드 제조업체들은 사용자들이 그들의 용도에 부합되는 것을 선택할 수 있도록 힘-타격 곡선 도표를 제공한다. 이 곡선 도표는 심봉에 용수철을 부착하여 타격을 통해 제공되는 힘이 특정 기계적 하중에 맞게 함으로써 수정이 가능하다.

계전기

계전기

동일한 장치로 중(重)-전류 회로에 응용된 것은 회로 차단기이다. 일반적으로 요구되는 기계적 움직임의 양이 적기 때문에 솔레노이드의 플런저는 대개 고정되고 구조물의 일부가 필요한 움직임을 줄 수 있도록 경첩으로 연결되어 있다. 이 배치는 그림2에 도식적으로 설명되어 있다.

코일이 에너지를 받게 되면 구조물의 경첩된 부위가 코일의 고형 철심 쪽으로 인력을 받게 되는데, 이 인력으로 접점부에 힘이 가해져 상호 접속시키게 된다. 에너지를 제공하는 전류가 제거되면, 경첩된 부위는 접점부의 복원력에 의해서 개방위치로 되돌아오게 된다.

현저하게 낮은 전력을 소모하는 트랜지스터화된 스위치 회로의 출현으로, 4Ｗ 전력의 재래식 계전기에 비해 100~300mＷ 전력으로 신뢰성 있게 작동되는 계전기에 대한 필요성이 생겼다. 이 필요성은 그림3의 리드 계전기(또는 리드 스위치)에 의해 해결되었다.

리드 계전기는 사이에 틈을 두고 중첩된 50 대 50의 니켈-철 합금의 평면날 2개로 구성된다. 자기장이 날의 길이 방향으로 형성되면, 날의 중첩부위에 상대되는 자극이 유도되어 서로 끌어당겨 전기 접속이 이루어진다. 자기장이 제거되면, 접속날의 복원력에 의해 접점이 개방된다. 중첩부위는 양날에 금도금을 하여 전기 접속을 좋게 해주며, 외피를 이루는 유리 캡슐은 건조 질소로 채워져 부식을 방지한다.

계전기 작동에 요구되는 자기장은 중첩량의 함수이며, 최소 요구동작 전류에 상응하는 최적의 중첩이 존재한다. 전화 설비에 사용되는 현재의 리드 스위치는 50V의 직류 전류로 작동된다. 전형적으로 리드 계전기는 58An에서 폐쇄되고 15An에서 개방되며, 지지 전류는 27An이다. 접점은 안정된 접속 저항을 주기 위해 0.002초 내에 폐쇄되고, 0.0001초 내에 개방되며, 5,000만 번 이상 동작 가능한 수명을 갖는다. 3만 5,000 횟수의 코일을 사용할 때 코일 저항은 전형적으로 1만 8,600이 되어 50V에서의 전류는 2.7mA가 된다. 최소 동작 조건으로 단지 1.7mA의 전류가 필요하므로 계전기는 낮은 전압에서도 만족스럽게 작동될 수 있다.

소형의 외부 영구 자석을 사용함으로써 리드 스위치는 유도자기장이 제거되어도 폐쇄상태를 유지하는 래칭 계전기로 만들어질 수 있다. 리드 스위치는 또한 전환 접속을 위해 3개의 날로 설계될 수도 있다.

대형 전자석의 설계

조만간에 거의 모든 과학연구소에서 큰 자기장을 생성하기 위한 시설을 필요로 하게 될 것이다. 상당수의 진보된 기술들도 마찬가지로 대형 전자석을 필요로 한다. 예를 들면 사이클로트론는 일정한 자기장에서 교류되는 전기장에 의해 가속된 소립자들에 대한 과학적 연구에 사용되는 장치이다.

가속기에는 충분한 자기장을 생성하기 위해 자극의 지름이 수m에 달하는 대형 자석이 사용된다. 어떤 산업에서는 기중기의 용도로 거대한 고출력의 전자석이 사용된다. 대형 전자석의 기본 설계원리는 앞서 논의된 것과 같다. 공간간격을 통해 술모양으로 확산되는 자속과 코일 주변으로 누출되는 자속의 크기를 평가하려는 데에서 어려움이 생긴다. 이러한 효과들은 자심과 자극 덮개에 대해 테이퍼 형태를 이용함으로써 최소화되는데, 전형적인 실험실 자석이 그림4에 나타나 있다.

연철이 2.16Wb/㎡에서 포화됨으로써 철자석에서 2.1Wb/㎡의 구역으로 제한된다. 기중기나 하중 운반 용도로 설계될 경우, 전자석은 운반되어야 할 부하 자체가 접착될 수 있는 노출된 하나의 극면을 필요로 할 것이고, 따라서 막대자석의 형태가 될 것이다. 그러면 그 설계는 자성제거계가 우세하게 된다. 적합하게 설계된 자석들은 자체 무게를 여러 차례 들어올릴 수 있으며 일반적으로 제강소나 고철 수집장에서 사용된다.

응용

전자석은 매우 다양한 곳에 사용된다.

통신·연구실험·전기산업, 그리고 자기기록에서 몇몇 주요 응용분야에 쓰이는 일부 중요한 장치들의 동작원리에 대하여 개략하면 다음과 같다.

현대의 전화체계는 복잡한 연결점을 찾아내기 위해 반도체 회로와 더불어 리드 계전기에 근간을 두고 있다. 전화기의 수화기는 근본적으로 양단자에 코일이 감겨진 U자형의 이음쇠로 된 전자석이다. 전기 신호가 코일을 통해 흐르면 U자쇠의 양단으로부터 약간 떨어져 있는 연철 진동판에 자기 인력을 받게 한다.

진동판은 코일에 흐르는 전류의 크기에 비례하는 양만큼 휘게 되고 전후로 진동하면서 음파를 발생시킨다. 자성체의 개선에 의해 전화 수화기의 감도가 증대되었으나, 기본 설계는 바뀌지 않은 채 남아 있다. 확성기는 전화기의 수화기와 같은 기능을 수행하지만 더 큰 공간이 필요하다. 진동판은 가는 선으로 된 코일이 감긴 환형고리가 꼭지점에 붙은 큰 면적의 유연한 원뿔로 이루어지는데, 그 환형고리는 강력한 원통형 영구자석의 양극 사이에 놓여 있다.

코일에 흐르는 가청 주파수의 전류는 수화기에서처럼 진동판의 휨 작용을 일으킨다. 현대의 확성기는 영구 자성체의 개선으로 인해 그 전신에 비해 훨씬 더 감도가 좋고 효율적이다. 간격의 자속밀도가 높아질수록 재생 정확도와 감도는 더 좋아지게 되는데, 현대의 확성기는 1Wb/㎡에 달하는 자속밀도를 사용하며, 합금자석들이 주로 사용된다.

자기장은 강력한 연구장비를 제공하는데, 이것이 없었다면 현대 물리학은 아마 현재의 위치까지 발전할 수 없었을 것이다.

주요 응용분야는 자기장과 소립자 간의 상호작용에 관한 것이다. 전자와 같이 대전된 움직이는 입자는 전류로 여겨질 수 있고, 전류가 흐르는 도선에서와 같이 자기장에서 힘을 받게 된다. 그 힘의 방향은 입자의 운동방향과 자기장에 상호 수직이 되어 입자는 원래의 경로로부터 편향된다. 이 원리는 전자의 흐름을 가느다란 빔으로 초점을 맞추고, 영구자석이나 전자석에 의해 적절한 자기장을 형성시켜 그 빔을 편향시키는 데에 사용될 수 있다.

모든 텔레비전 수상기는 브라운관 화면에 전자 빔을 주사하기 위해 단지 그러한 초점 및 편향장치를 내장한다. 과학분야 응용에 있어서, 동일한 원리가 전자현미경에 사용되는데, 마치 재래식 현미경에서 빛이 유리 렌즈를 통과하듯이 전자현미경에서 전자 빔은 일련의 '자기 렌즈'를 통과하게 된다.

앞서 언급했듯이 입자가속기는 대전 입자가 원형 경로를 돌게 하기 위하여 자기장을 이용한다.

입자들은 매선회시마다 가속을 받아 마침내 막대한 운동 에너지를 얻는다. 입자가속기는 핵 연구 및 방사성 동위원소 생성에 중요한 수단이 되어왔다. 동일원리가 질량분석계를 통해 물질의 분석에 사용될 수 있다. 자기장에서의 대전된 입자의 운동에 미치는 실질적인 편향은 그 전하와 질량, 그리고 속도에 의해 결정된다. 질량분석계에서 조사되는 물질은 고정된 전기장에서 가속 기체상태의 이온화된 입자 형태이다.

자기장을 통과할 때 같은 양의 전하를 갖는다고 가정하면 입자들은 그들의 질량에 의해 결정된 양만큼 편향된다. 고정 목표에 도달된 위치를 기록함으로써 입자들의 질량이 도출될 수 있다.

전기산업은 자기장의 발생과 이용을 토대로 하고 있다. 전동기는 전류가 흐르는 도선으로부터 발생된 힘에 근본을 두고 있고, 발전기는 자기장에서 움직이는 도선이 유도전류를 일으킨다는 전동기와는 반대된 효과에 근원을 두고 있다.

일반적으로 전동기와 발전기의 자기회로에는 고자속밀도가 요구되며, 이 필요에 의해 내부 자기장의 발생원으로써 연철 또는 규소-철 전자석을 사용하게 되었다. 그러나 최신의 영구자석 물질이 출현함에 따라 영구자석에 의해 자기장이 제공되는 소형 직류 전동기에 대하여 특히 완구산업을 비롯한 폭넓은 응용이 진행되고 있다(→ 자석).

자기기록의 원리는 기록할 신호에 의해 물질에 영구자화를 유도하는 것이다.

유도된 자화는 신호의 진폭에 비례해야 하며 신호가 제거된 후에도 물질에 남아 있어야 한다. 따라서 자성 물질은 높은 투자율로 작은 자기장에서도 즉각 자화될 수 있어야 하고, 높은 잔류 자기화로 저장된 정보가 쉽게 '판독'될 수 있어야 하며, 너무 높지도 낮지도 않은 보자력(保磁力)으로 저장된 정보가 큰 어려움 없이 지워질 수 있어야 한다. 자기기록 장치의 가장 일반적인 유형은 자기 테이프를 이용한 것이다.

이 테이프는 양다리 부위에 코일이 감긴 U자형 자석 이음쇠로 구성될 수 있는 기록 헤드에 근접하여 일정한 속도로 통과한다. 코일의 전류가 기록되어야 할 가청 주파수 신호에 상응하여 변화함에 따라 변화되는 자화가 테이프에 유도된다. 기록된 정보를 재생하기 위해 테이프가 코일을 관통하거나 근접 통과하여 테이프의 자속이 코일의 권선들을 횡단함으로써 코일에 가청 주파수의 전류가 유도된다.

테이프는 고주파 신호를 내는 기록 헤드를 통과함으로써 지워질 수 있는데, 이는 테이프의 자화를 제거시키는 효과를 낸다.

컴퓨터 정보는 표준 진폭의 전기 펄스의 연속으로 이루어지므로 특별히 자기저장의 간단한 형태에 속한다. 테이프에 대한 물질적 요구조건은 녹음의 경우처럼 그다지 엄격하지 않고, 단지 자화가 저절로 없어지지 않는 것이 중요시된다.

많은 컴퓨터에서 자기 테이프 기억장치가 기록 헤드 아래에서 회전하는 자기합금으로 된 디스크로 대체되어왔다. 이 자기 디스크에서 정보는 테이프에서보다 더 높은 밀도(단위면적당 비트 수)로 저장될 수 있으며, 정보에 대한 접근이 디스크를 가로지르는 방사방향으로 '판독' 헤드가 이동함으로써 더욱 빨라질 수 있다.→ 자기기록