자기와 전자기학

움직이는 자석은 전류를 생성할 수 있으며, 전류는 운동을 유발할 수 있습니다. 모든 모터, 발전기, 발전소 및 스피커는 이 단원의 핵심입니다. 이 참고 자료는 AQA GCSE 물리학 8463, 단원 4.7 자기장 및 전자기학을 다룹니다.

시험에서 이 주제를 다루는 방식:

• 시험지 2에는 이 단원이 포함됩니다. $F = BIl$과 두 가지 변압기 공식은 첨부된 시트에 기재되어 있습니다.
• 플레밍의 왼손 법칙, 모터, 스피커, 발전 효과, 교 lưu 발전기/다이나모, 마이크로폰 및 변압기는 고급(HT) 전용이며, 4.7.3부터 시작되는 모든 내용은 물리학 전용입니다.
• 자력선 도형을 반드시 그려야 합니다: 막대자석, 직선 전선, 솔레노이드.

• 극(Pole) : 자기력이 가장 강한 곳.

동극은 서로 밀어내고, 이극은 서로 끌어당김 — 비접촉력입니다.

• 영구 자석은 자체적으로 자기장을 생성합니다. 유도 자석은 자기장 내에 있을 때만 자석이 되며, 유도 자성 현상은 항상 끌어당김을 일으킵니다(제거하면 자성을 잃습니다).
• 자기장은 다른 자석이나 자성 물질(철, 강철, 코발트, 니켈)에 힘이 작용하는 영역입니다. 자석은 항상 자성 물질을 끌어당깁니다.
• 자기장은 극 부근에서 가장 강하며, 방향은 해당 지점의 북극(N)에 작용하는 힘의 방향과 같습니다. 자력선은 북 → 남 방향으로 흐릅니다.
• 나침반은 작은 막대자석이며, 지구의 자기장 방향을 가리킵니다 — 이는 지구에 자기장이 존재함을 증명합니다(지구의 내부는 거대한 자석과similar한 역할을 합니다).

자기장 도형 작성: 나침반을 자석 근처에 놓고 바늘의 양 끝을 표시한 뒤, 나침반의 꼬리를 마지막 표시점에 대고 반복하여 점들을 연결하십시오. 철가루를 사용하면 전체 도형을 한눈에 확인할 수 있습니다.

전류가 흐르는 도선 주변에는 자기장이 존재합니다(동심원 형태; 오른손 악그립 법칙 — 엄지손가락은 전류 방향, 손가락은 자기장 방향). 전류가 클수록 자기가 강해지고, 도선으로부터 멀어질수록 약해집니다.

도선을 구부려 소레노이드로 만들기:

• 루프들의 자기장이 합쳐져 내부에서 강하고 균일한 자기장을 형성합니다;
• 외부에서는 자석과 유사한 형태를 띱니다;
• 철심을 추가하면 자기가 더 강화되는데, 이를 전자석이라고 합니다.

전자석은 전류에 의해 켜고 끄며 세기를 조절할 수 있습니다. 이로 인해 폐기물 처리장이나 계전기 등에서 영구자석보다 우수합니다.

자기장 속에 있는 전류를 흘리는 도체에는 힘(모터 효과)이 작용합니다(자기장, 자석, 도체가 서로 밀어냅니다).

플레밍의 왼손 법칙: 엄지손가락 = 힘, 첫째 손가락 = 자기장(N→S), 둘째 손가락 = 전류 — 세 가지 방향은 서로 수직입니다.

• $F$ 힘(N 단위); $B$ 자속 밀도(테슬라, T 단위); $I$ 전류(A 단위); $l$ 자기장 내에 있는 도체의 길이(m 단위).
• 힘은 다음과 커집니다: 강한 자기장($B$ 값 증가), 큰 전류, 자기장 내 도체의 길이 증가. 도체가 자기장에 대해 수직일 때 최대 힘을 받습니다.

전기 모터: 자기장 속 전류를 흘리는 코일의 두 면이 서로 반대 방향으로 힘을 받아 회전합니다.

분할 링 컴뮤테이터는 반 회전마다 전류 방향을 반전시켜 회전을 계속하게 합니다.

스피커(물리學 전용): 자기장 속 코일을的交流电流流过，使线圈内外振动；纸盆推动空气产生压强变化——声波，其频率与信号一致。

도체가 자기장에 대해 움직이거나 주변의 자기장이 변하면 유도 기전차가 발생하며, 회로가 완성되면 전류가 흐릅니다—이를 발전 효과라고 합니다.

• 유도 전류가 만드는 자기장은 그 전류를 생성한 변화를 방해합니다.
• 유도 기전차는 다음과 커집니다: 빠른 운동, 강한 자기장, 코일의 권수 증가. 운동 방향 또는 자기장 극성이 반전되면 유도 기전차의 방향도 바뀝니다.

교류 발전기(ac generator): 코일이 자기장 내에서 회전하여 유도 전압이 반전되며, 반회전마다 방향이 바뀌므로 전압-시간 그래프는 0을 지나는 반복적인 파형입니다.

직류 발동기(dc): 분할 링 컴뮤테이터가 반회전마다 연결을 전환하여 출력이 0의 한쪽(양수 쪽)에만 머무르게 하므로, 볼록한 항상 양수의 그래프를 형성합니다.

마이크: 스피커의 역과정 — 음압 변화가 코일을 자기장 안에서 움직여 변화하는 전류를 유도하며, 이 전류는 소리의 패턴을 그대로 따릅니다.

변압기: 일차와 이차 코일이 철심에 감겨 있습니다(쉽게 자화됨; 라미네이션 불필요).

일차 코일에 흐르는 교류가 철심에서 변하는 자기장을 생성하고, 이 변하는 자기장이 이차 코일에 교류 전압을 유도합니다.

• 승압: $V_s > V_p$ (이차 코일의 권선 수가 더 많음). 강압: $V_s < V_p$.
• 두 번째 식은 입출력 전력의 균형을 나타내며, 이를 이용해 전원 공급으로부터 유입되는 전류를 구할 수 있습니다.

해설 예제. 권선수가 345인 일차 코일과 6000인 이차 코일을 가진 변압기에 230 V의 전압이 인가되었습니다.

해설 예제(전력). 해당 변압기는 50 mA의 전류가 흐르는 4000 V의 전력을 공급합니다.

• 출력 전력: $P = V_sI_s = 4000 \times 0.050 = 200$ W.
• 입력 전류: $I_p = P/V_p = 200/230 = 0.87$ A.

국가지배망의 과정은 다음과 같습니다: 송전 전에 승압하여(전류 감소 → $P = I^2R$ 손실 급감), 가정용 강압을 거칩니다(주제 2.7 참고).

• 극의 규칙을 서술하고, 영구자석과 유도자석을 구분하십시오.
• 막대자석, 직선 도체, 솔레노이드의 자기장 선형도 및 방향을 그리십시오. 나침반과 지구의关联性을 설명하십시오.
• (HT) 플레밍의 왼손 법칙과 $F = BIl$를 사용하여 모터와 컴뮤테이터의 원리를 설명하십시오.
• (물리학 전용, HT) 발전 효과의 조건과 반대 방향 유도 자기장을 서술하십시오. 교류 발전기와 직류 발동기의 그래프를 구분하고, 마이크의 원리를 설명하십시오.
• (물리학 전용, HT) 변압기의 두 식을 모두 사용하고, 코일 간의 유도 현상과 국가지배망의 장점을 설명하십시오.