물리학:전자기 유도 편집하기 (부분)

== 학생들의 질문 ==

=== 수업 중 떠오른 질문 ===
{| class="wikitable"
!학생 질문
!교사 코멘트
|-
|자기장방향, 힘의 방향, 전류의 방향은 항상 수직일까?
|자기장방향과 전류의 방향은 수직이 아닐 수 있죠. 그러나..
힘의 방향은 언제나 이들에 수직합니다.
|-
|자기장과 전류의 방향이 수직이면 힘이 작용하지 않는 근본적인 원리는 무엇일까
|서로 수평한 경우를 잘못 말한 듯한데..
서로 방향이 일치하면 자기장 밀도?에 영향을 주지 못한다고 설명할 수 있겠습니다.
|-
|전류는 도선 주위에 자기장을 반드는데 그렇다면 도선 자체는 자기력을 받아 움직이는데 도선 내의 전자들은 어떻게 이동하고 있는 것일까?
|오, 개별 입자 관점에서...! 전류가 받는 힘과 동일한 방향의 힘을 받아요!
|-
|
* 구리로 이루어진 코일말고도 다른 금속으로 이루어진 코일이 사용되는 경우가 있나요?

* 발전기에서 유도 전류를 높이기 위해 단순히 코일 감은 수나 자석의 세기만 조절하는 것 외에, 코일의 재질이나 온도 등 환경적 요인이 에너지 변환 효율에 어떤 영향을 미치는지 궁금함
|수업에서는 주로
→ 감은 수

→ 자기선속 변화

이런 핵심 변수만 보지만, 현실에선

재질, 저항, 두께, 온도, 발열

이런 것도 다 영향 줍니다.
|-
|그러면 금 도선은 언제 쓰나요?? 엄청 비싸지 않나요??
|CPU나 RAM 같은 곳에서. 휴대폰 등등.
생각보다 엄청 비싸진 않아요. 금은 연성이 굉장히 커서 진짜 얇게 뽑아낼 수 있음.
|-
|
* 유도 전류의 양은 코일 수 감은 수에 비례하는데, 코일의 두께에도 비례할까요?
* 코일을 두껍게 하면 유도전류가 어떻게 변할까
|큰 영향은 아니에요..! 저항을 더 낮출 순 있지만, 우리가 사용하는 상황에선 이미 도체 자체의 저항이 낮기 때문에 큰 영향 없음. 무조건 많이 감는 게 최고. 그래서 보통 얇은 선을 써요.
|-
|원형 도선의 코일 사이사이에 유전체를 끼우면 전류 세기가 달라질까??
|직접적인 영향은 없을 것 같은데;;;? 자성체라면 영향을 줄지 모르겠지만;
|-
|
* 자기장이 변하면 전류가 생기는데, 자기장의 변화 속도가 매우 빠르면 유도 전류의 크기는 어디까지 터질 수 있을까?

* 자기장의 변화 속도를 극단적으로 빠르게 하면 유도 전류는 계속 증가할까, 아니면 한계가 있을까?

* 유도 전류 방향이 렌츠의 법칙으로 결정되는 건 알겠는데 그럼 자기장 변화를 무한히 빠르게 하면 이론상 무한한 전류가 흐르나요 현실적으로 뭐가 한계를 만드나요
|이론적으로는 자기선속 변화가 빨라질수록 유도 기전력도 커짐.
그런데 현실에서는 저항, 발열, 절연 파괴, 에너지 공급 한계

현실은 물질이 못 버팀.
|-
|
|
|-
|
* 전자기 유도 말고 다른 원리를 이용한 발전기가 있는가

* 자기장 아예 없이 전기를 만들 수 있을까?
|화학 전지, 태양전지, 열전 발전, 압전 소자
하지만.. 효율은 돌리는 게 최고 ㅎㅎ
|-
|
* 우리가 스마트폰 무선 충전기에 폰을 올릴 때, 1mm만 띄워도 충전 효율이 확 떨어지는 이유는 자기장의 어떤 성질 때문일까?

* 먼 거리에 있는 핸드폰을 전자기 유도를 이용하여 충전하려면 어떻게 해야할까

* 나중에 미래에 기술이 발전하여 인체에 무해한 무선충전이 되면 수업시간에 말한대로 원거리 충전이 될 수 있을까

* 교류 전류의 진동수를 현재보다 2배 더 빠르게 높인다면, 스마트폰의 충전 속도도 단순하게 2배로 증가할까.

* 무선 충전기 내부에 자석 설치 후 회전시켜서 초고속 충전시키기 가능할까?
|실생활 연결 아주 좋음 👍
무선충전은

→ 코일 사이의 결합

→ 거리

→ 정렬 상태

→ 주파수

이런 게 다 중요합니다.

특히 거리가 조금만 벌어져도 효율이 확 떨어지는 건

자기장이 멀어질수록 빠르게 약해지기 때문.

그리고

주파수 2배 → 충전속도 2배

이런 식으로 단순하진 않아요;;

발열, 회로 설계, 손실, 안전 문제가 다 걸려 있습니다.
|-
|
* 무선충전기를 도로에 설치해두면 무슨 이점이 있을까?

* 주행 중 충전하는 기술이 장기적으로 보면 이득 아닐까?

* 유동인구가 많은 지역의 바닥 타일이나 보도블럭에 전자기유도 장치를 넣어서 전기를 생산할 수 있을까?

* 전기가 없을때 자석을 열심히 움직여서 전기를 만들어서 쓰는것이 가능할까요?
|아이디어형 질문으로 좋다 👍
실제로

→ 주행 중 충전

→ 에너지 하베스팅

→ 사람/차의 움직임으로 전기 회수

이런 연구는 이미 있습니다.

다만 문제는 늘 비슷함:

가능은 함

근데 '''출력이 작거나, 효율이 낮거나, 설치비가 큼'''

즉, 과학적으로는 재밌고

공학적으로는 '''경제성'''까지 봐야 함.
|-
|
* 지구 자체가 하나의 거대한 자석이라는데, 그럼 인공위성이나 우주정거장이 지구 주위를 돌 때도 전자기 유도로 인해 전기가 만들어질까?

* 지구에 자기장이 있는데 그럼 지구 자기장 속에 있는 코일은 별도로 자석을 가져다댈 필요없이 그저 움직이기만 해도 유도전류가 생겨야하지 않을까?

* 자기장의 변화만으로 전류가 생긴다면, 자연 상태에서 발생하는 자기장 변화(예: 지구 자기장 변화)로도 실제로 전기를 생산할 수 있을까?

*
|오... 이건 물리랑 지구과학이 연결되는 질문.
결론부터 말하면

'''자기선속이 변하면''' 지구 자기장으로도 유도 전류가 생길 수는 있어요.

다만 지구 자기장은

→ 비교적 약하고

→ 변화가 크지 않아서

실용적으로 큰 전기를 뽑아내긴 어렵습니다.
|-
|지구자기장은 왜 존재하지
|→ 지구 내부의 액체 금속 운동
→ 다이너모 이론
|-
|
* 아까 직선 도선에서 같은 전류가 흐를 때 어떤 영향을 주는지에 대해서 물어봤는데 원형 도선일 때는 어떨까?

* 위에 2번 질문 보고 떠오른 생각인데, 3차원에서 두 도선이 얼키설키 꼬여 일을때 이 두 도선에 작용하는 힘은 어떻게 작용할까?

* 세기가 같고 방향이 다른 자기장을 여러개 만들면 겹치는 곳에서 어떻게 작용하는가

* 만약 여러 개의 자기장이 작용할 때 도선에 작용하는 힘의 크기는 어떻게 변할까요?

* 교과서에 나온 세가지 모양이 아니라 다른 모양으로 전선이 놓여있으면 뭐가 다를? 같은 도선이 만든 자기장이 중첩되어 있을때 서로 영향을 받을 수 있을까?

* 원형 도선은 직선 도선들의 합인데 구부러진 구간마다 동심원 자기장들이 어떻게 겹쳐질까?

* 두 도선에 서로 다른 방향으로 전류가 흐르면 자기장이 어떻게 변할까?
|이건 거의 '''벡터합 + 기하학''' 문제들.
질문 수준이 꽤 높아요.

직선 도선 몇 개 정도까지는 그림으로 되는데,

도선이 휘고 꼬이고 3차원으로 가면

사실상 '''대학 전자기학''' 느낌 납니다.

핵심은 하나:

'''자기장은 겹쳐질 수 있고, 힘은 벡터로 합쳐진다'''

즉, 단순 암기보다

공간적으로 상상하는 힘이 필요한 질문들.
|-
|
* 코일의 감은 세기가 증가하면 총 임피던스가 증가할텐데 그러면 결국 저항이 커지는 역할을 하잖아요. V=IR에 의해서 유도 기전력이 커져도 저항(임피던스)의 증가에 의해 전류가 이론값과 비교했을 때 좀 적게 나올 수 있나요? (근데 코일을 직접 지나는게 아니여서 딱히 상관이 없으려나요?)
|코일의 감은 수를 증가시키면 저항이 커지는데, 임피던스를 계산할 땐 이것까지 포함한 저항을 고려함.
저항에도 축전기, 코일 효과가 있음.
모든 물질에 저항, 축전기, 코일 효과가 있음. 다만 그 정도 차이...!
그래서 이 모든 효과들을 한데 모아둔 후 계산함!
|-
|
|
|-
|
* 이어폰의 스피커 부분을 컴퓨터의 마이크 단자에 꽂고 소리를 지르면 녹음이 될까?

*

* MRI 검사할때 기계 안에서 아주 빠르게 춤을 추면 혈관 안에서도 유도 전류가 발생해서 찌릿찌릿할까요?

* 하이패스는 거리가 꽤 되는데 이용되는 다른 원리가 더 있을지 궁금해요
|실생활/실험 연결형 질문들 👍
이런 질문들이 좋은 이유는

“교과서 개념이 실제로 어디서 보이냐”를 묻고 있기 때문.

특히

* 이어폰 ↔ 마이크

* 구리관 속 자석

* MRI 안전성

* 하이패스/무선통신

이런 건 다 수업 확장 소재로 좋습니다.

이 중 몇 개는 진짜 실험해볼 수도 있음.
|-
|구리 관 속에 자석을 떨어뜨릴 때 자석이 느리게 떨어지는 원리는?
|관을 통해 유도전류가 발생하며 자석이 못다가오게 만들어요~
|-
|
* 자기장을 눈에 직접보이도록 하는 방법은 아예 없을까?
|
|-
|제가 지구과학 시간에 자석 절반을 가르면 N극이랑 S극이랑 나누어지는게 아니라 그냥 자석 두 개가 된다고 배웠는데 왜 그런 것인지 궁금합니다.
|N과 S는 물질에 의한 것이 아니라, 현상이기 때문에?
|-
|전기장은 눈에 보이지 않는데 어떻게 알게 되었을까?
|소리같은 거죠. 눈에 보이지 않더라도 물리적 영향력이 있으니.
|-
|자기력의 방향 대신 자기장의 방향이라는 용어를 사용하는 이유는?
|자기력은 특정한 입자의 교류에서 나오는 것이고, 자기장은 공간 자체에 대한 정보.
|-
|자속 변화를 전기 에너지로 만들려는 생각은 어떻게 하게 된 걸까
|어?? 전기가 나오네?? 예쓰!
|-
|
* 코일을 진짜 많이 감고 진짜 자기력이 쎈 자석을 사용한다면 자석을 공중부양 시킬 수 있을까?
|...?? 이거 그냥 자석끼리만으로도 공중부양 되지 않나;;?
|-
|
* 자석과 코일로 전기 만들기(교과서 106p)에서 자석이 가까워졌다 멀어졌다를 반복하면서 유도 전류가 발생하여 전구에 불이 켜진다 하는데 그러면 전류의 방향이 끝에 도달하면 바뀌게 된다. 이때 이 과정이 매우 빠르게 반복되면 아무 유도 전류도 발생하지 않는지(불이 안켜짐) 궁금하다.
|불이 안켜지는 상황을 안만들 수는 없어요.
하지만, 인간의 눈에 안꺼지게끔 보이게 할 수는 있죠.
|-
|
|
|-
|자석의 자기장을 강하게 하는 법이 있을까?
|자화를 더 크게. 하지만 물질적 한계가 있죠;;
|}

=== 상위개념 및 개쩌는 질문 ===
{| class="wikitable"
!분류
!질문
!대답
|-
|
|만약에 코일을 가운데에 두고 자석 두개가 위아래에서 동시에 왔다 갔다하면 저류가 형성될까? 상쇄될까?
|코일을 향해 다른 극이라면 상쇄되리라 생각합니다. 같은 극이라면 보강될듯.
코일 내부에 흐르는 전류는 발생하는 기전력의 합으로 결정되는데, 
a) 위쪽에서 N극이 멀어지면서 아래쪽으로 N극이 들어오는 상황을 생각해봅시다~
위에서 N극이 멀어지며 코일 위쪽엔 S극이 유도될 것이고, 아래에서 N극이 들어오며 코일 아래엔 N극이 유도될 것이니, 강화됩니다.
b) 위쪽에서 N극이 멀어지며 아래쪽으로 S극이 들어오는 상황에선..
위에서 동일하고, 아래에선 S극이 들어오며 코일 아래엔 S극이 유도되어야 하니, 상쇄되어버립니다;
자기장의 방향성 강화 여부로 생각해도 됩니다.
a 상황에서 아래로 짓누르던 자기장이 사라지며 위쪽 방향으로의 변화가 생기는데, S극이 아래에서 다가오며 다시 아래로 땡겨버립니다.
만약에 동시에 다가오거나 동시에 멀어진다면...
같은 극이면 자기장 변화가 상쇄되기 때문에 효과가 없어지고,
다른 극이면 변화가 보강됩니다.
|-
|
|도체 자석에다가 전류를 흐르게 하면 자기력과 전기력이 어떻게 작용하나요?
|오..! 궁금하네.(어;; 난 유체자석 찾아봤음)
대강 찾아보니, 저항이 커서 전류가 잘 흐르진 않는 듯한데, 상세히 조사해서 알려주면 세특~
|-
|
|자기장이 변할 때 유도 전류가 생긴다고 배웠는데 그렇다면 유도 전류가 생기면 그 전류도 다시 자기장을 만들 텐데 그 자기장이 또 다른 유도 전류를 만들 수는 없을까?
|오, 통찰 대단해.
→ '''자기 유도 / 상호 유도'''

쪽으로 바로 연결됩니다.
|-
|
|
* 왜 코일에 자석을 넣을 때 자기장의 방향은 자석을 방해하려는 방향으로 생길까?

* 자석을 코일 가까이 가져갈 때, 유도 전류가 자기선속이 증가하는 것을 방해하는 방항으로 흐르는 이유는 무엇일까요?

* 전자기 유도 현상은 왜 일어나는가?

* 왜 유도전류는 자기장이 변해야만 생기는데 전류는 일정하게 흐르기만 해도 자기장이 생길까
|만약, 자기장 변화를 도와주는 형식으로 생기면 에너지 보존에 어긋남.
그럼.. 아예 안생기면 될 텐데.. 왜 생기냐는 의문일텐데..


사실, 자기장 변화가 생기면 전기장이 발생하는 것이 원인임.

그럼 전기장이 왜 생기냐, 상대론으로 설명할 수 있겠지만.. 굉장히 복잡할 듯해요; 일단 자기장이 생기는 전 전하의 상대론적 효과인데, 자기장의 변화라는 건 이들에 가속이 일어난다는 거고.. 가속은 일반상대론의 영역이라 제 수준을 넘어섬 ㅜ
|-
|
|지구과학시간에 자기홀극에 대해서 배웠습니다. 우주 어딘가에 N극만 또는 S극만있는 자기 홀극이 발견된다면 전자기 유도 법칙은 어떻게 바뀌게 될까요??
|수학적으로 더 이쁠 것 같아요. 전기랑 거의 비슷한 형식의 식이 될듯??
이렇게 이뻐지면... 뭐가 바뀔진 저도 상상이 안되네요;;
|}

=== 별로인 질문 ===
{| class="wikitable"
!분류
!질문
!대답
|-
|
|
* 하나의 도선에 서로 다른 방향으로 전류를 흘리면 어떤 현상이 일어날까?
|안흘러;;;
|-
|
|
|
|-
|
|
|
|}

=== 해결하지 못한 질문 ===
{| class="wikitable"
!분류
!질문
!대답
|-
|
|
|
|-
|
|
|
|-
|
|
|
|}

=== 코멘트 및 후배들에게 ===
{| class="wikitable"
!질문
!대답
|-
|
|
|-
|
|
|-
|
|
|-
|
|
|}