D.4 · 전자기 유도

이 핸드아웃은 2025년 최초 평가 과정에서 다뤄지는 HL 과목 중 선별된 주제들을 포함하며, 전체 커리큘럼은 아닙니다.

선행 학습: 명시된 양과 단위를 읽고, 산술 및 아래 모델 조건을 사용하십시오.

예제들은 원작이며 가상의 것입니다: 실제 측정값이나 실제 학생 조사 결과가 아닙니다.

이 관측을 설명할 수 있는 것은 무엇인가?

• 자석과 함께 있는 도선이 항상 전류를 생성하는 것은 아닙니다. 유도 기전력(EMF)은 변하는 자기(parameters linkage)에 의존합니다.

모델을 구축하시오

• 장은 공간 내 특정 지점에서의 힘의 영향을 나타냅니다.
• 자기장 안에 있는 전류가 흐르는 도체에는 힘이 작용할 수 있습니다.
• 자기 플럭스 결합이 변화할 때 전자기 유도 현상이 발생합니다.
• 유도: 플럭스 결합의 변화에 의해 기전력이 생성되는 것입니다.
• 변압기: 자기 플럭스의 변화를 통해 코일 간에 에너지를 전달하는 장치입니다.

이를 검증할 수 있는 증거를 선택하시오

• 장 세기, 코일 면적, 방향 또는 상대 운동의 변경은 플럭스 결합을 변화시킬 수 있습니다.
• 렌츠 법칙은 에너지 보존과 일치하게 유도 현상이 이를 발생시킨 변화를 반대함을 설명합니다.

실험실: 코일과 민감한 계기를 사용하여 각 방향으로 자석을 움직일 때를 비교하십시오. 정지된 배치에서는 유도 신호가 없음을 기록하십시오. 모터 시연용으로는 승인된 저전압 공급 장치를 사용하십시오.

알려진 양으로부터 시작하시오

• Known: a transformer has 200 primary turns, 50 secondary turns and 12 V primary voltage.
• 이상 변압기의 경우 Vs/Vp = Ns/Np입니다.
• Vs = Vp × Ns / Np = 12 × 50 / 200 = 3.0 V입니다.
• 실제 변압기는 또한 에너지를 소모합니다.

Your turn: An ideal transformer has Np=400, Ns=100 and Vp=20 V. Find Vs.

결론과 그 한계를 확인하시오

• 변압기는 변하는 자기 플럭스가 필요하며, 일정한 DC 입력은 연속적인 변압 작동을 제공하지 못합니다.
• 자기장의 방향이 반드시 힘의 방향인 것은 아닙니다.

옳지 않음: 일정한 DC 입력은 연속적인 이상 변압 작동을 생성합니다. 변압기는 전자기 유도를 통해 작동하므로 변하는 플럭스가 필요합니다. 일정한 DC는 일정 플럭스를 생성하므로 짧은 스위치 온 변화 이후에는 유도 기전력이나 연속적인 변압 작용이 없습니다.

핵심:

• 장은 공간 내 특정 지점에서의 힘의 영향을 나타냅니다.
• 장 세기, 코일 면적, 방향 또는 상대 운동의 변경은 플럭스 결합을 변화시킬 수 있습니다.
• 주의: 변압기는 변하는 자기 플럭스가 필요하며, 일정한 DC 입력은 연속적인 변압 작동을 제공하지 못합니다.

이차전압 8 V를 기준으로 작성

• 이상 변압기는 원선 250개, 이차선 100개, 원선 전압 20 V를 가집니다.
• 이차 전압을 구하십시오. 일정한 DC 입력은 이상 변압기가 작동하게 유지하지 못합니다.

패러데이 배강 효과를 기반으로 작성

• 코일의 자속 결합은 B를 두 배로 하거나 코일을 자기장 방향으로 회전시켜 두 배가 될 수 있다.
• Induced emf depends on the RATE OF CHANGE of linkage — a doubled but then steady flux induces nothing after the change.

렌츠 법칙의 방향을 바탕으로 작성

• 자석의 북극이 코일 가까이로 접근한다.
• 코일의 가까운 면이 북극이 되어 접근을 거부하며, 이는 에너지 보존 법칙이 부호 규칙이라는 겉모습을 띠고 있는 것이다.