전기산업기사 · 전기자기학 과목
전기산업기사 정자계와 자성체 개념 정리
중요도 ★★★★☆ · 30% (추정)
AI가 새로 쓴 글 가운데, 작성과 분리된 AI 검증(다시 읽고 사실·수치 확인)을 통과한 단원만 싣습니다. 틀린 곳을 발견하면 알려 주세요.
개요
전류가 흐르면 그 둘레에 자계가 생깁니다. 무한히 긴 직선 전류는 거리에 반비례하는 자계를 만들고, 원형 코일의 중심에는 권수와 전류에 비례하고 반지름의 2배에 반비례하는 자계가 생깁니다. 정사각형처럼 유한한 직선으로 이루어진 코일은 변마다 자계를 구해 더하는 비오-사바르 법칙으로 풉니다.
앙페르의 주회 법칙은 닫힌 길을 따라 자계를 더하면 그 안을 지나는 전류와 같다는 법칙입니다. 원통 도체 안쪽에서는 길 안에 들어오는 전류만 생각하므로 자계가 중심으로부터의 거리에 비례하고, 바깥에서는 거리에 반비례합니다.
자계 속의 전류는 힘을 받으며, 그 방향은 플레밍의 왼손 법칙으로 정합니다. 나란한 두 도선은 전류 방향이 같으면 서로 끌어당기고, 힘은 두 전류의 곱에 비례하며 거리에 한 번 반비례합니다. 자기 회로는 전기 회로처럼 기자력을 자기 저항으로 나누어 자속을 구하고, 물질은 비투자율에 따라 강자성체, 상자성체, 반자성체로 나눕니다.
핵심 개념
원형 코일 중심의 자계
H = N × I ÷ (2a) 입니다(a 는 반지름).
외우는 요령직선 전류 I ÷ (2πr) 과 헷갈리지 않습니다. π 가 없습니다.
플레밍의 왼손 법칙
자계 속 전류가 받는 힘의 방향입니다. 엄지 = 힘, 집게 = 자계, 가운데 = 전류이며 F = BIl sinθ 입니다.
외우는 요령전동기의 원리입니다.
평행 도선 사이의 힘
단위 길이당 F = 2 × I1 × I2 ÷ r × 10⁻⁷ [N/m] 입니다.
외우는 요령같은 방향 전류는 흡인력, 반대 방향은 반발력입니다.
자기 회로의 옴 법칙
자속 = 기자력(NI) ÷ 자기 저항이며, 자기 저항 = l ÷ (μS) 입니다.
외우는 요령기자력은 전압, 자속은 전류, 자기 저항은 저항에 해당합니다.
자성체의 구분
강자성체는 비투자율이 매우 크고, 상자성체는 1 보다 조금 크며, 반자성체는 1 보다 조금 작습니다.
외우는 요령반자성체 예: 구리, 은, 비스무트.
자주 나오는 포인트
- 원형 코일 중심 NI/(2a)와 직선 전류 I/(2πr)를 구분한다.
- 원통 도체 내부 자계는 r 에 비례, 외부는 r 에 반비례한다.
- 평행 도선의 힘은 거리에 한 번 반비례한다.
- 정사각형 코일(한 변의 길이 a) 중심 자계는 2√2I/(πa).
헷갈리는 것 비교: 원통 도체(반지름 a)의 자계
| 구분 | 도체 내부 (r < a) | 도체 외부 (r > a) |
|---|---|---|
| 식 | I × r ÷ (2πa²) | I ÷ (2πr) |
| 거리와의 관계 | r 에 비례 | r 에 반비례 |
대표 문제 3개
검수를 마친 예상문제 가운데 이 단원의 대표 문제입니다.
문제 1. 자속 밀도 0.5T 인 평등 자계 안에 길이 0.4m 의 도체를 자계와 직각으로 놓고 10A 의 전류를 흘렸다. 도체가 받는 힘은 몇 N 인가?
- ① 2N
- ② 20N
- ③ 1N
- ④ 0.2N
▼ 정답과 해설 보기▲ 정답과 해설 접기
정답: ① 2N
핵심: 플레밍의 왼손 법칙 F = B × I × l × sinθ
자계 속 전류가 흐르는 도체는 힘을 받습니다(플레밍의 왼손 법칙).
- F = B × I × l × sinθ
- F = 0.5 × 10 × 0.4 × sin90°
- F = 0.5 × 10 × 0.4 × 1 = 2N
- 확인: 2 ÷ (0.5 × 0.4) = 10A 로 전류가 맞습니다.
틀린 선지
- 1N: sin30° 를 곱한 값입니다. 자계와 직각이면 sin90° = 1 입니다.
- 20N: 도체 길이 0.4m 를 곱하지 않은 값입니다.
- 0.2N: 자릿수를 잘못 계산한 값입니다.
문제 2. 반지름 0.1m, 권수 10회인 원형 코일에 2A 의 전류가 흐를 때 코일 중심의 자계의 세기는 몇 AT/m 인가?
- ① 200AT/m
- ② 약 31.8AT/m
- ③ 10AT/m
- ④ 100AT/m
▼ 정답과 해설 보기▲ 정답과 해설 접기
정답: ④ 100AT/m
핵심: 원형 코일 중심의 자계 H = NI ÷ (2a)
원형 코일 중심의 자계는 권수와 전류에 비례하고 반지름의 2배에 반비례합니다.
- H = N × I ÷ (2 × a)
- H = 10 × 2 ÷ (2 × 0.1)
- H = 20 ÷ 0.2 = 100AT/m
- 확인: 100 × 0.2 ÷ 10 = 2A 로 전류가 맞습니다.
틀린 선지
- 약 31.8AT/m: 무한 직선 전류의 식(NI ÷ 2πr)을 잘못 쓴 값입니다.
- 200AT/m: 분모의 2를 빠뜨린 값입니다.
- 10AT/m: 권수 10회를 곱하지 않은 값입니다.
문제 3. 플레밍의 왼손 법칙에서 엄지손가락이 가리키는 것은?
- ① 도체가 받는 힘(운동)의 방향
- ② 전류의 방향
- ③ 자계(자속)의 방향
- ④ 유도 기전력의 방향
▼ 정답과 해설 보기▲ 정답과 해설 접기
정답: ① 도체가 받는 힘(운동)의 방향
핵심: 왼손 법칙: 엄지 = 힘, 집게 = 자계, 가운데 = 전류
플레밍의 왼손 법칙은 전동기의 원리입니다. 왼손의 세 손가락을 서로 직각으로 폈을 때 다음과 같습니다.
- 엄지손가락: 힘(F, 도체가 움직이는 방향)
- 집게손가락: 자계(B)
- 가운뎃손가락: 전류(I)
외우는 법: 엄지부터 "F·B·I" 순서입니다.
틀린 선지
- 전류의 방향: 전류의 방향은 가운뎃손가락이 가리킵니다.
- 자계(자속)의 방향: 자계의 방향은 집게손가락이 가리킵니다.
- 유도 기전력의 방향: 유도 기전력은 플레밍의 오른손 법칙에서 다룹니다.