플레밍의 왼손 법칙
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
1. 개요
플레밍의 왼손 법칙은 자기장 내에서 전류가 흐르는 도체가 받는 힘의 방향을 결정하는 법칙이다. 이 법칙은 로렌츠 힘과 앙페르 힘을 설명하며, 왼손의 엄지, 검지, 중지를 사용하여 힘, 자기장, 전류의 방향을 각각 나타낸다. 플레밍의 왼손 법칙은 전동기의 작동 원리를 이해하는 데 중요한 역할을 한다.
더 읽어볼만한 페이지
- 규칙 - 가이드라인
가이드라인은 특정 분야에서 준수해야 할 사항들을 제시하는 지침을 의미하며, 법률, 과학, 기술, 의료 등 다양한 분야에서 활용된다. - 규칙 - 룰 34
룰 34는 모든 것에 포르노가 존재한다는 인터넷 밈으로, 2003년 웹 만화에서 유래하여 온라인 커뮤니티를 통해 확산되었으며, 성적 대상화와 관련된 비판을 받기도 한다. - 전동기 - 직류전동기
직류 전동기는 전류와 자기장의 상호 작용으로 회전력을 발생시키는 전동기로, 고정자 자석, 정류 방식, 회전자에 따라 분류되며 전기 자동차, 철도 등에서 활용되고 속도 제어가 용이하다. - 전동기 - 유도전동기
유도전동기는 교류 전력으로 만들어진 회전 자기장을 이용하여 회전자에 전류를 유도하고 토크를 발생시키는 전동기이며, 비동기 전동기라고도 불린다. - 전자기학 - 전력
전력은 전압과 전류의 곱으로 계산되며, 발전소에서 생산되어 송전 및 배전을 통해 소비자에게 공급되고, 에너지 저장 기술을 통해 안정적으로 공급될 수 있으며, 산업, 상업, 가정 등 다양한 분야에서 소비된다. - 전자기학 - 절연체
절연체는 전기 전도성을 막아 전기의 흐름을 제어하고 안전을 확보하며, 밴드 이론에 따라 큰 띠틈을 가져 외부 전압이 띠틈을 넘어서면 절연 파괴가 발생하며, 유리에서 세라믹, 고분자 복합 재료 등으로 제작되어 전선, 케이블 등 다양한 분야에 사용된다.
| 플레밍의 왼손 법칙 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 명칭 | 플레밍의 왼손 법칙 |
| 목적 | 모터 내의 힘의 방향 결정 |
 | |
| 규칙 | |
| 방법 | 왼손의 엄지, 검지, 중지를 서로 직각이 되도록 펼친다. |
| 검지 방향 | 자계의 방향 |
| 중지 방향 | 전류의 방향 |
| 엄지 방향 | 힘의 방향 (모터의 회전 방향) |
| 관련 법칙 | |
| 오른손 법칙 | 플레밍의 오른손 법칙 (발전기) |
2. 내용
플레밍의 왼손 법칙은 자기장 속에서 도체가 받는 힘의 방향, 자기장의 방향, 전류의 방향 사이의 관계를 쉽게 나타낸 것이다. 이 법칙은 로렌츠 힘과 앙페르 힘을 설명하는 데 사용된다.
2. 1. 로렌츠 힘
자기장에서 전하량 ''q''를 가진 하전 입자의 속도를 '''v''', 자기장을 '''B'''라고 할 때, (자기장에 관한) 로렌츠 힘 '''F'''는 다음과 같이 나타낸다.:
여기서 ×는 외적이다.
또한, 전류 '''I'''가 흐르는 도체가 자기장으로부터 받는 단위 길이당 힘(앙페르 힘)은 다음과 같다.
:
2. 2. 앙페르 힘
전류 '''I'''가 흐르는 도체가 자기장으로부터 받는 단위 길이당 힘(앙페르 힘)은 다음과 같이 나타낸다.:
3. 플레밍의 왼손 법칙 (전동기 법칙)
플레밍의 왼손 법칙은 전동기의 작동 원리를 설명하는 데 사용되는 법칙이다. 왼손의 가운데 손가락, 집게 손가락, 엄지 손가락을 서로 직교하게 폈을 때, 각 손가락이 나타내는 방향은 다음과 같다.
- 가운데 손가락: 전류의 방향. 하전 입자의 경우, 이것은 ${\displaystyle q\mathbf {v} }$의 방향이며, 전하가 음의 경우 속도와 반대 방향이다.
- 집게 손가락: 자기장의 방향.
- 엄지 손가락: 도체 또는 하전 입자가 받는 힘의 방향.
이 법칙은 다음과 같은 물리량의 방향 관계를 도식화한 것이다.
(자기장에 관한) 로렌츠 힘 '''F'''는 자기장을 '''B''', 전하량 ''q''의 하전 입자의 속도를 '''v'''라고 할 때,
:
로 나타낸다. 여기서 ×는 외적이다.
또한, 전류 '''I'''가 흐르는 도체가 자기장으로부터 받는 단위 길이당 힘(앙페르 힘)은,
:
로 나타낸다.
이 법칙은 FBI(연방 수사국)와 같이 다양한 방법으로 기억할 수 있다.
3. 1. 왼손 법칙의 다양한 기억법
플레밍의 왼손 법칙을 기억하는 다양한 방법이 있다.| 기억법 | 설명 | 엄지 | 검지 | 중지 |
|---|---|---|---|---|
| FBI 기억술 | 연방 수사국(Federal Bureau of Investigation)의 머리글자를 이용한다. | F (힘의 방향) | B (자기장의 방향) | I (전류의 방향) |
| (장을 발사하고, 힘을 느끼고, 전류를 죽여라) | 손가락을 가짜 총처럼 만든다. | 힘 (총의 반동) | 장 (총열) | 전류 |
| 전·자·력 (일본어) | 각 단어의 머리글자를 딴다. (중지부터 시작) | 전류 | ||
| 영어 원형 | 플레밍이 고안한 방식 | 추력(THrust) 또는 도체의 움직임(Motion of the conductor) | 자장(Field) | 전류(Current) |
어떤 방법을 사용하든, 왼손의 가운데 손가락, 집게 손가락, 엄지 손가락을 서로 직교(90도)하게 폈을 때, 각 손가락이 나타내는 방향은 다음과 같다.
플레밍의 오른손 법칙은 전자기 유도 현상을 설명하는 법칙으로, 왼손 법칙과 반대되는 현상을 다루므로 주의해야 한다.
4. 플레밍의 오른손 법칙 (발전기 법칙)
전자기 유도 법칙에는 플레밍의 오른손 법칙이 있다.
5. 왼손 법칙과 오른손 법칙의 구분
플레밍의 왼손 법칙은 전동기에 사용되는 반면, 플레밍의 오른손 법칙은 전기 발전기에 사용된다. 즉, 운동을 만들고 싶다면 플레밍의 왼손 법칙을 사용해야 하고, 전기를 만들고 싶다면 플레밍의 오른손 법칙을 사용해야 한다.
전동기와 발전기에 서로 다른 손을 사용해야 하는 이유는 원인과 결과의 차이 때문이다.
전동기에서는 전류와 자기장이 존재하고(원인), 이들이 힘을 발생시켜 운동을 일으킨다(결과). 따라서 왼손 법칙이 사용된다. 전기 발전기에서는 운동과 자기장이 존재하고(원인), 이들이 전류를 생성한다(결과). 따라서 오른손 법칙이 사용된다.
이것을 설명하기 위해, 많은 종류의 전동기가 전기 발전기로도 사용될 수 있다는 점을 고려해 보자. 이러한 전동기로 구동되는 차량은 완전히 충전된 배터리에 전동기를 연결하여 빠르게 가속할 수 있다. 그런 다음 전동기를 완전히 충전된 배터리에서 분리하고 완전히 방전된 배터리에 연결하면 차량은 감속한다. 전동기는 발전기 역할을 하여 차량의 운동 에너지를 다시 전기 에너지로 변환하여 배터리에 저장한다. 운동 방향이나 자기장 방향(전동기/발전기 내부)이 변경되지 않았으므로, 전동기/발전기 내의 전류 방향이 반전된다. 이는 열역학 제2법칙에서 비롯된다(발전기 전류는 전동기 전류에 반대해야 하며, 더 강한 전류가 다른 전류보다 우세하여 에너지가 더 많은 에너지원에서 더 적은 에너지원으로 흐르도록 한다).
6. 법칙의 물리적 근거
전하를 띤 입자인 전자가 같은 방향으로 흐르면 (예를 들어, 금속 전선과 같은 전기 전도체의 전류처럼) 도체를 감싸는 원통형 자기장이 발생한다. 이는 한스 크리스티안 외르스테드에 의해 발견되었다.
유도된 자기장의 방향은 '맥스웰의 오른나사 법칙'으로 기억할 수 있다. 즉, 관찰자로부터 멀어지는 방향으로 전류가 흐르면, 자기장은 도체를 시계 방향으로 돈다. 이는 마치 코르크 마개 따개가 관찰자로부터 멀어지기 위해 돌려야 하는 방향과 같다. 유도된 자기장의 방향은 오른손 법칙으로도 기억할 수 있는데, 엄지손가락은 전류의 방향을, 손가락은 자기장의 방향을 나타낸다. 비교적 큰 전류가 흐르는 전기 전도체의 주변 여러 지점에 자침 나침반을 놓아 이 자기장의 존재를 확인할 수 있다.
외부 자기장이 수평으로 가해져 전자의 흐름(전선 도체 또는 전자 빔)을 가로지르면 두 자기장이 서로 작용한다. 마이클 패러데이는 이 현상에 대한 시각적 비유를 상상의 자기 힘선 형태로 제시했다. 도체 내부의 힘선은 도체 주위에 동심원을 형성하고, 외부에서 가해지는 자기장의 힘선은 평행선을 이룬다. 도체의 한쪽 힘선이 (북극에서 남극으로) 도체를 둘러싼 힘선과 반대 방향으로 흐르면, 다른 쪽으로 굴절된다(자기력선은 서로 교차하거나 반대 방향으로 흐를 수 없기 때문이다). 결과적으로, 도체의 한쪽 면의 작은 공간에는 많은 자기력선이 밀집되고, 반대쪽 면에는 자기력선이 부족하게 된다. 자기력선이 더 이상 직선이 아니고 전기 도체를 감싸도록 구부러지면서, 자기장 내에 에너지가 묶여 있는 상태(늘어난 고무 밴드와 같음)로 장력을 받게 된다. 이 에너지장에는 이제 방해하는 힘이 거의 없으므로, 한 방향으로의 축적 또는 방출은 뉴턴의 제3운동 법칙과 유사한 방식으로 반대 방향으로 힘을 생성한다. 이 힘이 작용할 수 있는 움직일 수 있는 물체가 이 시스템에 하나뿐이므로(전기 전도체), 순 효과는 외부에서 가해지는 자기장 밖으로 전기 전도체를 자기 선속이 재지정되는 방향과 반대 방향으로 밀어내는 물리적 힘이다. 이 경우(모터), 도체가 '위'로 전류를 전달하고 외부 자기장이 관찰자로부터 '멀어지고' 있다면, 물리적 힘은 도체를 '''왼쪽'''으로 밀어내는 역할을 한다. 이것이 바로 전기 모터에서 토크가 발생하는 이유이다. (전기 모터는 도체가 자기장 밖으로 밀려나면서 다음 자기장 내부에 위치하도록 구성되고, 이 전환이 무한정 반복된다.)
패러데이의 법칙은 도체에 유도된 기전력은 도체 내 자기 선속의 변화율에 정비례한다고 명시한다.
플레밍의 왼손 법칙은 다음과 같은 물리량의 방향 관계를 도식화한 것이다.
(자기장에 관한) 로렌츠 힘 '''F'''는 자기장을 '''B''', 전하량 ''q''의 하전 입자의 속도를 '''v'''라고 할 때,
:
로 나타낸다. 여기서 ×는 외적이다.
또한, 전류 '''I'''가 흐르는 도체가 자기장으로부터 받는 단위 길이당 힘(앙페르 힘)은,
:
로 나타낸다.
7. 대중문화
2013년 비디오 게임 《메탈 기어 라이징: 리벤전스》에서 등장인물 몬순은 전투 중 플레밍의 왼손 법칙을 여러 번 언급하고 사용한다.[1]
플레밍이 고안한 영어 원형에서는 다음과 같이 손가락의 명칭과 대응시켜 외우는 방식이었다.[1]
- 중지(seCond finger) -- 전'''류'''(Current)
- 검지(First finger) -- '''자'''장(Field)
- 엄지(THuMb) -- '''추'''력(THrust) 또는 도체의 '''움직임'''(Motion of the conductor)
일본어에서는 각 단어의 머리글자를 따서 중지부터 '''전·자·력''', 또는 엄지부터 드라마 등에서 친숙한 미 연방 수사국의 머리글자와 같은 '''FBI''' 등으로 외우는 방법이 있는데, 어느 손가락부터 시작하는지를 따로 외울 필요가 있으며, 엄지가 일반적으로 가장 힘이 센 손가락이므로, 엄지 = 힘 등으로 외운다.[1]
참조
[1]
서적
Magnets and Electric Currents, 2nd Edition
https://books.google[...]
E.& F. N. Spon
[2]
웹사이트
Fleming's Left And Right Hand Thumb Rules Explained
https://www.electric[...]
2021-03-22
[3]
웹사이트
Fleming's left-hand rule – Higher - Magnetic effects of currents and the motor effect - Eduqas - GCSE Physics (Single Science) Revision - Eduqas
https://www.bbc.co.u[...]
2021-03-22
본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.
문의하기 : help@durumis.com