전자석

전자석은 전류에 의해 자기장이 생성되는 자석의 한 종류입니다.전자석은 일반적으로 코일에 감긴 와이어로 구성됩니다.와이어를 통과하는 전류는 코일 중앙의 구멍에 집중되는 자기장을 생성합니다.전류가 꺼지면 자기장이 사라집니다.와이어 턴은 종종 철과 같은 강자성 또는 페리 자성 물질로 만들어진 자기 코어에 감깁니다. 자기 코어는 자속을 집중시키고 더 강력한 자석을 만듭니다.

영구 자석에 비해 전자석의 주요 장점은 권선의 전류량을 제어하여 자기장을 빠르게 변경할 수 있다는 것입니다.하지만, 전력이 필요 없는 영구 자석과는 달리, 전자석은 자기장을 유지하기 위해 지속적인 전류 공급을 필요로 합니다.

전자석은 모터, 발전기, 전기 기계 솔레노이드, 릴레이, 스피커, 하드 디스크, MRI 기계, 과학 기기 및 자기 분리 장비와 같은 다른 전기 장치의 구성 요소로 널리 사용됩니다.전자석은 또한 고철과 ^[2]강철과 같은 무거운 철 물체를 집거나 옮기는 산업에 사용됩니다.

역사

덴마크 과학자 한스 크리스티안 외르스테드는 1820년에 전류가 자기장을 만든다는 것을 발견했습니다.같은 해에, 프랑스 과학자 앙드레-마리 앙페르는 철이 전기 공급 솔레노이드에 삽입함으로써 자화될 수 있다는 것을 보여주었습니다.영국 과학자 윌리엄 스터전은 1824년에 전자석을 발명했습니다.^[3][4] 그의 첫 번째 전자석은 말굽 모양의 쇠 조각으로 약 18바퀴의 맨 구리 와이어로 감겨 있었습니다.다리미는 권선으로부터 절연하기 위해 니스칠을 했습니다.전류가 코일을 통과할 때, 철은 자화되고 다른 철 조각들을 끌어당깁니다; 전류가 멈추면, 그것은 자화를 잃었습니다.스터전은 무게가 7온스(약 200g)에 불과하지만 단전지 전원장치의 전류를 가하면 9파운드(약 4kg)를 들어올릴 수 있다는 것을 보여주며 위력을 발휘했습니다.하지만, 스터전이 사용한 절연되지 않은 와이어는 중심핵 주위의 하나의 간격이 있는 층에만 감겨 회전 수를 제한할 수 있기 때문에 스터전의 자석은 약했습니다.

1830년 초, 미국 과학자 조셉 헨리는 전자석을 ^[5][6]체계적으로 개선하고 대중화했습니다.실크 실로 절연된 와이어를 사용하고, 전류계를 ^[7]만들기 위해 여러 차례의 와이어를 사용한 슈바이거의 영향을 받아, 그는 코어에 와이어의 여러 층을 감을 수 있었고, 2,063파운드(936kg)를 지탱할 수 있는 것을 포함하여 수천 번의 와이어로 강력한 자석을 만들 수 있었습니다.전자석의 첫 번째 주요 용도는 전신 음향기였습니다.

강자성 코어가 어떻게 작동하는지에 대한 자기 영역 이론은 1906년 프랑스 물리학자 피에르 에르네스트 바이스에 의해 처음 제안되었고, 강자성에 대한 상세한 현대 양자 역학 이론은 1920년대 베르너 하이젠베르크, 레프 란다우, 펠릭스 블로흐 등에 의해 해결되었습니다.

전자석 적용

부분 전자석은 재료를 제자리에 고정하도록 설계된 전자석입니다. 예를 들어 리프팅 자석이 있습니다.견인 전자석은 힘을 주어 ^[8]무언가를 움직입니다.

전자석은 다음을 포함하여 전기 및 전기 기계 장치에 매우 널리 사용됩니다.

• 모터 및 발전기
• 트랜스포머
• 릴레이
• 전기벨 및 부저
• 스피커 및 헤드폰
• 밸브와 같은 액추에이터
• 자기 기록 및 데이터 저장 장비: 테이프 레코더, VCR, 하드 디스크
• MRI 기계
• 질량 분석기와 같은 과학 장비
• 입자 가속기
• 마그네틱 잠금 장치
• 자성과 비자성 물질을 분리하는 데 사용되는 자기 분리 장비, 예를 들어 스크랩에서 철 금속을 다른 물질로부터 분리하는 데 사용됩니다.
• 산업용 리프팅 자석
• 자기부상열차 또는 자기부상열차에 사용되는 자기부상.
• 요리, 제조 및 온열 치료를 위한 유도 가열

단순 솔레노이드

일반적인 견인 전자석은 균일하게 감긴 솔레노이드 및 플런저입니다.솔레노이드는 와이어 코일이며 플런저는 연철과 같은 재료로 만들어집니다.솔레노이드에 전류를 가하면 플런저에 힘이 가해지며 플런저가 움직일 수 있습니다.플런저에 가해지는 힘이 균형을 이루면 플런저의 움직임이 멈춥니다.예를 들어, 플런저가 솔레노이드의 중심에 있을 때 힘이 균형을 이룹니다.

플런저의 한쪽 끝이 솔레노이드의 중앙에 있을 때 최대 균일한 당김이 발생합니다.힘 F에^[8] 대한 근사치는

${\displaystyle F=CANI/\ell}$

여기서 C는 비례 상수, A는 플런저의 단면적, N은 솔레노이드의 회전 수, I는 솔레노이드 와이어를 통과하는 전류, θ는 솔레노이드의 길이입니다.길고 가느다란 솔레노이드가 있는 인치, 파운드 힘 및 암페어를 사용하는 장치의 경우 C의 값은 약 0.009 - 0.010 psi(플런저 ^[9]단면적의 제곱인치당 최대 당김 파운드)입니다.예를 들어 단면 1제곱인치(A = 1인치²)와 11,200암페어(NI = 11,200A 회전)의 긴 플런저가 있는 12인치 긴 코일(코일 = 12인치)의 최대 당김은 8.75파운드(C = 0.^[10]0094psi에 해당)였습니다.

솔레노이드에 자기 정지 장치를 삽입하면 최대 당김이 증가합니다.스톱은 플런저를 끌어당기는 자석이 됩니다. 플런저가 멀리 떨어져 있을 때 솔레노이드의 당김을 거의 증가시키지 않지만 가까이 있을 때 당김을 극적으로 증가시킵니다.당김 P에^[11] 대한 근사치는

$\"표시 스타일 P=ANI\left[{\frac {NI}{\ell_{\mathrm {a} ^{2}}+{\frac {C}{\ell }}\right]=displayfrac {AN^{2}I^{2}}{\ell _{\mathrm {a} }^{2}C_{1}^{2}}+{\frac {CANI}{\ell }}}$

여기서 θ는_a 스톱의 끝과 플런저의 끝 사이의 거리입니다.가느다란 솔레노이드가 있는 인치, 파운드 및 암페어 단위에 대한 추가 상수₁ C는 약 2660입니다.브래킷 내부의 두 번째 항은 위의 스톱리스 솔레노이드와 동일한 힘을 나타냅니다. 첫 번째 항은 스톱과 플런저 사이의 인력을 나타냅니다.

기본 설계에서 몇 가지 개선이 가능합니다.스톱과 플런저의 끝은 종종 원뿔형입니다.예를 들어, 플런저에는 스톱의 일치하는 오목한 부분에 맞는 뾰족한 끝이 있을 수 있습니다.모양은 분리의 함수로서 솔레노이드의 당김을 더 균일하게 만듭니다.또 다른 개선 사항은 솔레노이드 외부("철갑 솔레노이드")^[12][13] 주위에 자기 리턴 경로를 추가하는 것입니다.자기 리턴 경로는 공기 갭이 작을 때까지 정지와 마찬가지로 거의 영향을 주지 않습니다.

물리학

전류가 와이어에 흐르면 암페어의 법칙에 따라 와이어 주위에 자기장이 생성됩니다(아래 그림 참조).자기장을 집중시키기 위해 전자석에서 와이어는 코일에 감겨 있고 와이어는 여러 회전이 ^[2]나란히 놓여 있습니다.모든 회전 와이어의 자기장은 코일의 중심을 통과하여 ^[2]강한 자기장을 생성합니다.직선 튜브(나선형)의 모양을 이루는 코일을 ^[1][2]솔레노이드라고 합니다.

와이어 코일을 통한 자기장의 방향은 오른손 ^[14][15]법칙의 형태에서 찾을 수 있습니다.오른손 손가락이 권선을 통과하는 전류 흐름(관습 전류, 양전하 흐름) 방향으로 코일 주위를 휘감으면 엄지가 코일 내부의 필드 방향을 가리킵니다.자기장 선이 나오는 자석의 측면은 북극으로 정의됩니다.

철과 같은 부드러운 강자성(또는 페리 자성) 물질의 "자기 코어"가 ^{[1][2][16][17]}코일 내부에 배치되면 훨씬 더 강한 자기장이 생성될 수 있습니다.코어는 ^[1][2]재료의 높은 투과성 μ로 인해 자기장을 코일 자기장의 수천 배까지 증가시킬 수 있습니다.이것은 강자성 코어 또는 철 코어 전자석이라고 불립니다.하지만, 모든 전자석이 코어를 사용하는 것은 아니며, 초전도와 매우 높은 전류 전자석과 같은 가장 강력한 전자석은 포화 때문에 코어를 사용할 수 없습니다.

암페어의 법칙

아래 변수에 대한 정의는 문서 끝에 있는 상자를 참조하십시오.

일반적인 경우 전자석의 자기장은 암페어의 법칙에 의해 주어집니다.

${\displaystyle \int \mathbf {J} \cdot d\mathbf {A} = \point \mathbf {H} \cdot d{\boldsymbol {\ell}}}$

이는 닫힌 루프 주위의 $H의$$$적분이 루프를 통과하는 전류의 합과 $같다는$ 것을 나타냅니다$.$전류의 각 작은 세그먼트로 인한 자기장을 제공하는 또 다른 방정식은 비오-사바트 법칙입니다.강자성 물질이 가하는 자기장과 힘을 계산하는 것은 두 가지 이유로 어렵습니다.첫째, 필드의 강도는 지점마다 복잡한 방식으로 다르기 때문에 특히 코어 외부와 공극에서 프린지 필드와 누출 플럭스를 고려해야 합니다.둘째, 자기장 B와 힘은 전류의 비선형 함수이기 때문에 사용된 특정 코어 물질에 대한 B와 H의 비선형 관계에 따라 달라집니다.정밀한 계산을 위해 유한 요소법을 사용하여 자기장 모델을 생성할 수 있는 컴퓨터 프로그램이 사용됩니다.

자기 코어

자기 코어의 재료(종종 철이나 강철로 만들어짐)는 작은 자석처럼 작용하는 자기 영역이라고 불리는 작은 영역으로 구성되어 있습니다(강자성 참조).전자석의 전류가 켜지기 전에, 연철 코어의 도메인은 임의의 방향을 가리키기 때문에, 그들의 작은 자기장은 서로 상쇄하고, 철은 큰 규모의 자기장을 갖지 않습니다.전류가 철에 감긴 철사를 통과하면, 철사의 자기장이 철사를 관통하고, 자기장과 평행하게 정렬하여 도메인이 회전하도록 하여, 철사의 작은 자기장이 철사의 자기장에 추가되어 자석 주위의 공간으로 확장되는 큰 자기장을 생성합니다.코어의 효과는 자기장을 집중시키는 것이고 자기장은 공기를 통과하는 것보다 더 쉽게 코어를 통과합니다.

와이어 코일을 통과하는 전류가 클수록 도메인이 더 많이 정렬되고 자기장이 강합니다.마지막으로, 모든 도메인이 정렬되고, 전류가 더 증가하면 자기장이 약간 증가할 뿐입니다. 이 현상을 포화라고 합니다.

코일의 전류가 꺼지면 거의 항상 코어로 사용되는 자기적으로 부드러운 재료에서 대부분의 도메인이 정렬을 잃고 임의의 상태로 돌아가 필드가 사라집니다.그러나 도메인이 자화 방향을 돌리기 어려워 코어를 약한 영구 자석으로 남기기 때문에 일부 정렬이 지속됩니다.이 현상은 히스테리시스라고 불리고 나머지 자기장은 잔류 자기라고 불립니다.코어의 잔류 자화는 디가우싱을 통해 제거할 수 있습니다.모터에 사용되는 교류 전자석에서는 코어의 자화가 지속적으로 반전되고 나머지는 모터의 손실에 기여합니다.

자기 회로

모터, 발전기, 변압기, 리프팅 자석 및 스피커와 같은 전자석의 많은 실용적인 응용 분야에서 철심은 루프 또는 자기 회로의 형태이며, 아마도 몇 개의 좁은 ^[2]공기 갭에 의해 깨질 수 있습니다.이것은 자기장 선이 닫힌 루프의 형태이기 때문입니다.철은 공기보다 자기장에 대한 "저항"(불안정성)이 훨씬 적기 때문에 자기장 경로의 대부분이 ^[2]코어 내에 있으면 더 강한 자기장을 얻을 수 있습니다.

대부분의 자기장이 코어 루프의 윤곽 내에 제한되기 때문에 수학적 ^[2]분석을 단순화할 수 있습니다.오른쪽 그림을 참조하십시오.이 섹션에서 사용될 많은 전자석에서 만족하는 일반적인 단순화 가정은 자기장 강도 B가 자기장 회로 주변(코어 및 공극 내)에서 일정하고 그 외부에서 0이라는 것입니다.자기장의 대부분은 코어 물질(C)에 집중됩니다.코어 내 자기장(B)은 모든 단면에 걸쳐 거의 균일하므로 코어가 전체 길이에 걸쳐 대략 일정한 면적을 가질 경우 코어 내 자기장은 ^[2]일정합니다.이렇게 하면 코어 섹션 사이에 공극(G)이 남게 됩니다.간격에서 자기장 선은 더 이상 코어에 의해 제한되지 않기 때문에, 다음 코어 재료로 들어가기 위해 곡선을 그리기 전에 코어의 윤곽 너머로 '돌출'되므로 ^[2]간격의 자기장 강도가 감소합니다.돌기(^[2]B_F)를 링 필드라고 합니다.그러나 간격의 길이가 코어의 단면 치수보다 작은 한 간격의 필드는 코어의 필드와 거의 같습니다.또한 자기장 라인(B_L) 중 일부는 '단락'을 취하고 전체 코어 회로를 통과하지 않으므로 자석이 가하는 힘에 기여하지 않습니다.여기에는 와이어 권선을 둘러싸지만 코어에 들어가지 않는 필드 라인도 포함됩니다.이를 누설 플럭스라고 합니다.따라서 이 섹션의 방정식은 다음과 같은 전자석에 대해 유효합니다.

1. 자기 회로는 코어 물질의 단일 루프이며, 몇 개의 공극에 의해 깨질 수 있습니다.
2. 코어의 전체 길이에 걸쳐 거의 동일한 단면적을 가집니다.
3. 코어 재료의 단면 사이의 공극은 코어의 단면 치수와 비교하여 크지 않습니다.
4. 누출 플럭스는 무시할 수 있습니다.

강자성 재료의 주요 비선형적 특징은 B 필드가 특정 ^[2]값에서 포화된다는 것이며, 이는 대부분의 고투과성 코어 ^[18][19][20]강철의 경우 약 1.6 ~ 2 테슬라(T)입니다.B 자기장은 전류가 이 값까지 증가하면 빠르게 증가하지만,^[2] 이 값을 초과하면 권선을 통해 전송되는 전류의 양에 관계없이 자기장이 꺼지고 거의 일정해집니다.따라서 철심 전자석에서 가능한 자기장의 최대 강도는 약 1.6~^[18][20]2T로 제한됩니다.

전류에 의해 생성되는 자기장

전자석에 의해 생성된 자기장은 권선의 회전 수 N과 와이어의 전류 모두에 비례합니다. 따라서 이 제품은 암페어 회전에서 NI라는 이름이 부여됩니다.자기장 경로의 길이_core L이 코어 물질에 있고 길이_gap L이 공극에 있는 단일 자기 회로를 가진 전자석의 경우, 암페어의 법칙은 ^[2][21][22]다음과 같이 감소합니다.

$\"표시 스타일 NI=H_{\mathrm {core} L_{\mathrm {core} }+H_{\mathrm {gap} L_{\mathrm {gap}}$

$\"표시 스타일 NI=B\left({\frac {L_{\mathrm {core}}}{\mu }}+{\frac {L_{\mathrm {gap}}}{\mu_{0}}}\right)}$

(1)

어디에

• ${\displaystyle \mu }$ $=$ / ${$ =$B/H\,}$는 사용된 특정 B 필드에서 코어 물질의 자기 투과성입니다.
• ${\displaystyle {\mu \mathrm{}}_{}}$ 0 $=$ ${\displaystyle 4\pi }$ (${\displaystyle {10}^{}}$ ${\displaystyle {-}^{}{7}^{}}$ ) ${\displaystyle \text{N}\mathrm{}}$ ${\displaystyle \cdot }$ ${\displaystyle {}^{}}$-$$ {{$displaystyle \mu$ _${0$}=$4\pi (10^{7})\$ \$mathrm {N}$ \$cdot \mathrm {A}^{-2}}$는 자유 공간(또는 공기)의 투과성입니다. 이 정의에서 A$${\$displaystyle {A}$는 암페어}입니다.

이것은 비선형 방정식인데, 코어의 투과성 μ가 자기장 B에 따라 변하기 때문입니다.정확한 용액의 경우, 사용된 B 값의 μ 값은 코어 물질 ^[2]이력 곡선에서 얻어야 합니다.만약 B를 알 수 없다면, 그 방정식은 수치적인 방법으로 풀어야 합니다.그러나 자기 운동력이 포화 상태를 훨씬 초과하여 코어 물질이 포화 상태에 있는 경우 자기장은 물질에 대한 포화 값_sat B에 가까우며 NI의 변화에 따라 크게 달라지지 않습니다.폐쇄형 자기 회로(공기 갭 없음)의 경우 대부분의 핵심 재료는 플럭스 경로의 미터 당 약 800암페어 회전의 자기 운동력으로 포화됩니다.

대부분의 핵심 재료의 $경우{\displaystyle {}_{}}$ $=$ / ${\displaystyle {\mu \mathrm{}}_{}}$ 0$≈$ ${\displaystyle 2000}$ - ${\displaystyle 6000}${\$displaystyle \mu$ _${r$}=\$mu /\mu$ _${0}\mu$ 2000 {\$text{-$$}}6000$^[22] 따라서 위의 방정식 (1)에서 두 번째 항이 지배적입니다.따라서, 공극을 갖는 자기 회로에서, 자기장 B의 강도는 공극의 길이에 크게 의존하며, 코어 내의 플럭스 경로의 길이는 크게 중요하지 않습니다.1mm의 공극이 주어지면 1T의 자기장을 생성하려면 약 796A의 자기 운동력이 필요합니다.

자기장에 의해 작용하는 힘

전자석이 코어 물질의 단면에 가하는 힘은 다음과 같습니다.

${\displaystyle F=displayfrac {B^{2}A}{2\mu_{0}}}}$

(2)

$여기$서 A$({displaystyle$A})는$$ 코어의 단면적입니다.힘 방정식은 자기장에 저장된 에너지로부터 유도될 수 있습니다.에너지는 힘 곱하기 거리입니다.항을 재정렬하면 위의 방정식이 생성됩니다.

위에서 언급한 자기장의^[18][20] 1.6T 한계는 철심 전자석이 발휘할 수 있는 단위 코어 면적당 최대 힘 또는 자기 압력의 한계를 설정합니다. 대략 다음과 같습니다.

$display {style {frac {F}{A}}=cdot{b}{B_{\text{sat}}^{2}}{2\mu_{0}}\mathrm{kPa}=10^{6}\mathrm{N/m^{2}}=145\\mathrm{lbf}\cdot{in}^{-2}}}}}}}$

보다 직관적인 단위에서는 1T에서 자기 압력이 약 4기압 또는 kg/cm임을² 기억하는 것이 유용합니다.

코어 지오메트리가 주어지면, 주어진 힘에 필요한 B 필드는 (2)로부터 계산할 수 있습니다. 1.6 T 이상이 되면, 더 큰 코어를 사용해야 합니다.

폐쇄 자기 회로

극을 가로지르는 다리미 조각을 들어올리는 전자석에서 발견되는 것과 같은 폐쇄형 자기 회로(공간 없음)의 경우 방정식 (1)은 다음과 같습니다.

${\displaystyle B=displayfrac {NI\mu}{L}}}$

(3)

(2)를 대입하면 힘은 다음과 같습니다.

$디스플레이 스타일 F=novfrac{{2}N^{2}I^{2}A}{2\mu_{0}L^{2}}}$

(4)

힘을 최대화하기 위해 플럭스 경로 L이 짧고 단면적이 A가 넓은 코어가 선호됨을 알 수 있습니다(공간이 있는 자석에도 적용됨).이를 위해 리프팅 자석(위 사진 참조) 및 라우드스피커와 같은 용도에서는 평평한 원통형 디자인이 종종 사용됩니다.권선은 한 극을 이루는 짧고 넓은 원통형 코어에 감겨 있고, 권선의 외부를 감싸는 두꺼운 금속 하우징은 자기 회로의 다른 부분을 형성하여 자기장을 전면으로 가져와 다른 극을 형성합니다.

전자석 사이의 힘

위의 방법은 자기장 경로의 많은 부분이 코어 외부에 있는 경우에는 적용되지 않고 자기 회로가 있는 전자석에 적용됩니다.예를 들어, 이 기사의 상단에 표시된 것과 같은 직선의 원통형 코어를 가진 자석이 있습니다.자기장 선이 코어에서 나오는 잘 정의된 '극'이 있는 전자석(또는 영구 자석)의 경우, 자기장이 극의 표면에서 가상의 '자기 전하'에 의해 생성된다고 가정하는 자기 전하 모델을 사용하여 두 전자석 사이의 힘을 찾을 수 있습니다.극 강도 m 및 암페어 턴 미터의 단위를 사용합니다.전자석의 자극 강도는 다음에서 확인할 수 있습니다.

두 극 사이의 힘은 다음과 같습니다.

각 전자석에는 두 개의 극이 있기 때문에 다른 자석으로 인한 주어진 자석의 총 힘은 주어진 자석의 각 극에 작용하는 다른 자석의 극 힘의 벡터 합과 같습니다.이 모델은 유한 표면 대신 점과 같은 극을 가정하므로 자석 사이의 거리가 직경보다 훨씬 클 때만 좋은 근사치를 산출합니다.

부작용

전자석에서 발생하는 몇 가지 부작용은 설계에 제공되어야 합니다.이는 일반적으로 더 큰 전자석에서 더 중요해집니다.

오믹 히팅

정상 상태 조건에서 DC 전자석에서 소비되는 유일한 전력은 권선의 저항 때문이며 열로 방출됩니다.일부 대형 전자석은 폐열을 제거하기 위해 권선의 수냉 시스템을 필요로 합니다.

자기장은 제품 NI에 비례하기 때문에 제품이 일정하다면 권선 N과 전류 I의 회전 수를 선택하여 열 손실을 최소화할 수 있습니다.전력 분산인 P = IR은² 전류의 제곱에 따라 증가하지만 권선 수에 따라 거의 선형적으로만 증가하므로 I를 줄이고 회전 수 N을 비례적으로 증가시키거나 저항을 줄이기 위해 두꺼운 와이어를 사용하여 권선에서 손실되는 전력을 최소화할 수 있습니다.예를 들어, I를 반으로 줄이고 N을 두 배로 늘리면 전력 손실이 절반으로 감소하고 와이어 면적도 두 배로 증가합니다.두 경우 모두 와이어의 양을 늘리면 옴 손실이 줄어듭니다.이러한 이유로, 전자석은 종종 상당한 두께의 권선을 가집니다.

그러나 N을 증가시키거나 저항을 낮추는 한계는 권선이 자석의 코어 조각 사이에 더 많은 공간을 차지한다는 것입니다.권선에 사용할 수 있는 영역이 채워지면 회전이 많아지면 와이어의 지름이 작아져 저항이 높아지므로 회전 수가 많아지는 이점이 없습니다.따라서 큰 자석에서는 최소한의 열 손실을 줄일 수 없습니다.이것은 자속² B의 제곱에 따라 증가합니다.

유도 전압 스파이크

전자석은 상당한 인덕턴스를 가지며 권선을 통한 전류 변화에 저항합니다.권선 전류의 급격한 변화는 권선 전체에 걸쳐 큰 전압 스파이크를 발생시킵니다.이는 자석을 통한 전류가 증가할 때(예: 자석을 켤 때) 회로의 에너지가 자기장에 저장되어야 하기 때문입니다.전원이 꺼지면 필드의 에너지가 회로로 돌아갑니다.

일반 스위치를 사용하여 권선 전류를 제어할 경우 스위치 단자에서 스파크가 발생할 수 있습니다.제한된 공급 전압으로 인해 자석을 통과하는 전류와 계자 에너지가 천천히 증가하지만, 이 전압이 꺼지면 자기장의 에너지가 갑자기 회로로 되돌아가 큰 전압 스파이크와 스위치 접점을 가로질러 아크가 발생하기 때문에 이러한 현상이 발생하지 않습니다.피해를 줄 수도 있습니다소형 전자석의 경우 콘덴서가 접점 전체에서 사용되기도 하는데, 이는 일시적으로 전류를 저장하여 아크 발생을 참조하십시오.다이오드는 에너지가 열로 분산될 때까지 전류가 권선을 통해 재순환되는 경로를 제공하여 전압 스파이크를 방지하는 데 사용되는 경우가 많습니다.다이오드는 권선을 가로질러 연결되고 방향이 조정되므로 안정적인 상태 작동 중에 역방향으로 바이어스되며 전도되지 않습니다.공급 전압이 제거되면 전압 스파이크가 다이오드를 정방향으로 바이어스하고 반응 전류가 계속 권선을 통과하여 다이오드를 통과한 후 다시 권선으로 흐릅니다.이러한 방식으로 사용되는 다이오드를 프리휠 다이오드 또는 플라이백 다이오드라고 합니다.

대형 전자석은 일반적으로 완만한 경사로에서 느린 전류 변화를 수행하여 전압 급증을 방지하는 마이크로프로세서에 의해 제어되는 가변 전류 전자 전원 공급 장치에 의해 구동됩니다.큰 자석에 전원을 공급하거나 전원을 공급 해제하는 데 몇 분이 걸릴 수 있습니다.

로렌츠 힘

강력한 전자석에서 자기장은 와이어 내의 이동 전하에 작용하는 로렌츠 힘 ${\displaystyle q\mathbf{}}$v ×$$ \\$displaystyle q\mathbf {v}$\times \$mathbf {B}$로 인해 권선의 각 회전에 힘을 발휘합니다.로렌츠 힘은 와이어의 축과 자기장 모두에 수직입니다.그것은 자기장 선 사이의 압력으로 시각화되어 그것들을 밀어낼 수 있습니다.전자석의 권선에는 다음과 같은 두 가지 효과가 있습니다.

• 코일 축 내의 계자선은 권선의 각 회전에 반경 방향의 힘을 주어 모든 방향으로 바깥쪽으로 밀어내는 경향이 있습니다.이로 인해 와이어에 인장 응력이 발생합니다.
• 코일의 각 회전 사이의 누출 자기장 선은 인접한 회전 사이에 매력적인 힘을 주어 ^{[citation needed]}서로 끌어당기는 경향이 있습니다.

로렌츠 힘은 B와 함께² 증가합니다.대형 전자석에서는 전원을 켜고 끄는 동작이 권선의 금속 피로를 유발하지 않도록 권선을 제자리에 단단히 고정해야 합니다.아래의 비터 설계에서는 매우 높은 필드의 연구 자석에 사용되며, 권선은 반경 방향의 힘에 저항하기 위해 평평한 디스크로 구성되고 축 방향으로 고정되어 와이어를 통해 고속으로 이동할 수 있습니다.

코어손실

변압기, 인덕터, AC 모터 및 제너레이터에 사용되는 교류(AC) 전자석에서 자기장은 지속적으로 변화합니다.이로 인해 자기 코어에서 에너지 손실이 발생하여 코어에서 열로 방출됩니다.손실은 두 가지 프로세스에서 발생합니다.

• 와전류:패러데이의 유도 법칙에서, 변화하는 자기장은 와전류라고 불리는 가까운 도체 내부의 순환 전류를 유도합니다.이러한 전류의 에너지는 도체의 전기 저항에서 열로 방출되므로 에너지 손실의 원인이 됩니다.자석의 철심은 전도성이 있고 자기장의 대부분이 그곳에 집중되어 있기 때문에, 코어의 와전류가 주요 문제입니다.와전류는 자기장에 수직인 평면으로 흐르는 닫힌 전류 루프입니다.분산된 에너지는 루프에 둘러싸인 면적에 비례합니다.이를 방지하기 위해 AC 전자석의 코어는 얇은 강판 또는 적층판으로 만들어져 자기장과 평행하게 배향되고 표면에 절연 코팅이 되어 있습니다.절연층은 시트 사이에 와전류가 흐르는 것을 방지합니다.남아 있는 모든 와전류는 각 개별 적층의 단면 내에서 흘러야 하므로 손실이 크게 줄어듭니다.또 다른 대안은 부도체인 페라이트 코어를 사용하는 것입니다.
• 이력 손실:각 사이클마다 코어 물질의 자기 영역의 자화 방향을 반대로 하면 물질의 강압성으로 인해 에너지 손실이 발생합니다.이러한 손실을 히스테리시스라고 합니다.사이클당 손실되는 에너지는 BH 그래프에서 히스테리시스 루프의 면적에 비례합니다.이러한 손실을 최소화하기 위해 변압기 및 기타 AC 전자석에 사용되는 자기 코어는 실리콘 강철 또는 소프트 페라이트와 같은 "부드러운" 저보력 물질로 만들어집니다.교류의 사이클당 에너지 손실은 이러한 각 프로세스에 대해 일정하기 때문에 전력 손실은 주파수에 따라 선형적으로 증가합니다.

하이필드 전자석

초전도 전자석

강자성 한계인 1.6T보다 높은 자기장이 필요할 때 초전도 전자석을 사용할 수 있습니다.강자성 물질을 사용하는 대신 액체 헬륨으로 냉각된 초전도 권선을 사용합니다. 이 권선은 전기 저항 없이 전류를 전도합니다.이것들은 엄청난 전류가 흐르도록 하고, 이것은 강렬한 자기장을 발생시킵니다.초전도 자석은 권선 물질이 초전도되지 않는 자기장 강도에 의해 제한됩니다.현재 설계는 10-20 T로 제한되며, 현재(2017) 기록은 32 ^[23][24]T입니다.필요한 냉장 장비와 냉동고는 그것들을 일반 전자석보다 훨씬 더 비싸게 만듭니다.그러나 고출력 응용 분야에서는 시동 후 권선에 전력이 필요하지 않기 때문에 옴 가열로 인한 에너지 손실이 없기 때문에 낮은 작동 비용으로 이를 상쇄할 수 있습니다.그것들은 입자 가속기와 MRI 기계에 사용됩니다.

쓴 전자석

철심과 초전도 전자석 모두 생산할 수 있는 분야에 한계가 있습니다.따라서, 가장 강력한 인공 자기장은 1933년 프랜시스 비터가 발명한 디자인의 공기 코어 비초전도 전자석,^[25] 비터 전자석이라고 불리는 것에 의해 생성되었습니다.와이어 권선 대신 비터 자석은 전도성 디스크 스택으로 구성된 솔레노이드로 구성되며, 이 솔레노이드를 통해 전류가 헬리컬 경로로 이동하도록 배열되고 최대 자기장이 생성되는 중앙을 관통하는 구멍이 있습니다.이 설계는 B에 따라² 증가하는 자기장의 극한 로렌츠 힘을 견딜 수 있는 기계적 강도를 가지고 있습니다.디스크에는 높은 전류로 인한 열을 제거하기 위해 냉각수가 통과하는 구멍이 뚫려 있습니다.저항성 자석만으로 달성한 가장 강력한 연속장은 2017년 8월^[update] 22일 기준 41.5테슬라이며,^[26] 플로리다주 탈러해시 소재 국립고자장연구소의 비터 전자석에 의해 생성되었습니다.^[27] 이전 기록은 37.^[28]5T였습니다.전체적으로 가장 강력한 연속 자기장 45T는 ^[25]초전도 자석 내부에 비터 자석으로 구성된 하이브리드 장치로 2000년 6월에 달성되었습니다.

전자석의 강도를 제한하는 요인은 엄청난 폐열을 방출할 수 없기 때문에 저항성 자석을 통해 짧은 고전류 펄스를 전송하여 최대 ^[24]100T의 더 강력한 장을 얻을 수 있습니다. 각 펄스 이후의 비활성 기간을 통해 펄스 동안 생성된 열을 제거할 수 있습니다.다음 맥박 전에

폭발적으로 펌핑된 플럭스 압축

가장 강력한 인공 자기장은^[29] 전자석 내부의 자기장을 펄스로 압축하기 위해 폭발물을 사용하여 생성되었습니다. 이 자기장을 폭발적으로 펌핑된 플럭스 압축 생성기라고 합니다.내폭은 자기장을 수 마이크로초 동안 약 1000T의^[25] 값으로 압축합니다.이 방법은 매우 파괴적으로 보일 수 있지만, 전하 쉐이핑은 실험에 대한 손상을 최소화하기 위해 폭발을 외부로 리디렉션합니다.이러한 장치는 파괴적인 펄스 ^[30]전자석으로 알려져 있습니다.그것들은 높은 자기장에서 물질의 특성을 연구하기 위해 물리학과 재료 과학 연구에 사용됩니다.

용어의 정의

용어	의의	구성 단위
$\"스타일 A\", 표시"$	코어 단면적	제곱미터
$\"스타일 B 표시,}$	자기장(자속밀도)	테슬라
$\"표시 스타일 F\,}$	자기장에 의해 작용하는 힘	뉴턴 경이다.
$\"디스플레이 스타일 H\",}$	자기장	미터당 암페어
${\displaystyle I\} 표시$	권선의 전류	암페어의
${\}표시 스타일 L\,}$	자기장 $경로{\displaystyle {}_{}}$ L${\displaystyle {}_{}{\mathrm{코어}}_{}}$ + ${\displaystyle {L\mathrm{}}_{}{}_{}}{\displaystyle {\mathrm{갭}}_{}}$의 총 길이({$displaystyle L_{\mathrm {core}$}$$+$L_{\mathrm {gap}$}\,}	미터기
$\"표시 스타일 L_{\mathrm {core}\,}$	노심재내 자기장 경로의 길이	미터기
$\"표시 스타일 L_{\mathrm {gap}\,}$	공극 내 자기장 경로의 길이	미터기
${\displaystyle m_{1},m_{2}\,}$	전자석의 극 강도	암페어 미터
$\mu \, 표시 스타일$	전자석 코어 물질의 투과성	제곱암페어당 뉴턴
${\displaystyle \mu_{0}\,} 표시$	자유 공간(또는 공기)의 투과성 = 4ppm(10−7)	제곱암페어당 뉴턴
${\displaystyle \mu _{r}\,} 표시$	전자석 코어 재료의 상대적 투과성	무차원의
${{style N\} 표시,$	전자석의 와이어 회전 수	무차원의
$\"displaystyle r\",$	두 전자석의 극 사이 거리	미터기

참고 항목

• 쌍극자 자석 – 가장 기본적인 형태의 자석
• 전자기학
• 전기영구 자석 - 자기적으로 단단한 전자석 배열
• 계자 코일
• 자기 베어링
• 펄스 자기장 자석
• 4극 자석 – 주로 하전 입자의 움직임에 영향을 미치는 데 사용되는 자석과 전자석의 조합

레퍼런스

외부 링크

• 전자석 - 파인만 물리학 강의
• 자기장과 힘 쿠야호가 커뮤니티 칼리지
• 오클라호마 대학교 지질학 및 지구물리학 기초관계대학원