전자석

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1. 개요

전자석은 전류가 흐를 때 자기장을 생성하는 장치로, 1820년 한스 크리스티안 외르스테드와 앙드레 마리 앙페르에 의해 발견되었으며, 1824년 윌리엄 스터전이 최초의 전자석을 제작했다. 전선에 전류가 흐르면 자기장이 발생하고, 코일에 철심과 같은 자성체를 넣어 자기장을 강화하는 원리를 이용한다. 전자석은 전동기, 발전기, 변압기, 계전기 등 다양한 전기 기기 및 전자기계 장치에 사용되며, 초전도 전자석, 비터 전자석과 같은 고급 형태도 존재한다. 전자석은 오믹 가열, 유도 전압 스파이크, 로렌츠 힘, 코어 손실 등의 부작용이 발생할 수 있다.

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전자석
기본 정보
9V 배터리로 만든 전자석
유형	자석
작동 원리	외르스테드 법칙
발명가	윌리엄 스터전
발명 연도	1824년
기호	image_file: Electric-symbol-electromagnet.png

2. 역사

덴마크의 과학자 한스 크리스티안 외르스테드는 1820년 전류가 자기장을 만든다는 것을 발견하였다.^[32]^[33] 같은 해 프랑스 과학자 앙드레 마리 앙페르는 전류가 흐르는 솔레노이드에 철심을 넣으면 자화될 수 있음을 보였다.

영국의 과학자 윌리엄 스터전은 1824년 전류에서 발생하는 자기장을 이용하여 전자석을 만들었다.^[32]^[33]

스터전이 처음 만든 전자석은 말굽 모양의 철심을 자기 코어로 이용한 것이었다. 스터전은 자기 코어에 굵은 구리 전선을 18번 감아 전자석을 만들었다. 당시에는 오늘날과 같은 절연체가 없었기 때문에 스터전은 구리 도선에 바니시를 발라 절연체로 사용하였다. 스터전의 전자석은 약 200g을 들어올릴 수 있었으며 전지들을 연결하여 전류를 높이자 약 4kg의 물체도 들어올렸다.

1830년대 미국의 과학자 조지프 헨리는 전자석을 체계적으로 개선하고 대중화했다.^[3]^[4] 헨리는 비단을 여러 겹 감아 절연한 구리선을 자기 코어에 수천 번 감아 강한 전류를 사용하여 2063 파운드를 들어 올릴 수 있는 강력한 전자석을 만들었다.^[34] 전자석을 처음으로 응용한 기계는 전신 음향기였다.

1906년 프랑스 과학자 피에르 바이스는 강자성을 띄는 자기 코어에 의해 전자석의 자기장이 강해지는 것을 설명하기 위해 자구 이론을 도입하였다. 1920년대에 이르러 베르너 하이젠베르크, 레프 란다우, 펠릭스 블로흐 등의 과학자들은 강자성을 양자역학으로 설명하는 이론을 제시하였다.

3. 원리

앙페르 회로 법칙에 따르면 교류가 흐르는 전선 주변에는 자기장이 형성된다. 이 자기장의 세기는 전류의 세기에 비례한다.^[30]^[31]

코일 형태로 감긴 전선에 전류가 흐르면 자기장이 중첩되어 일정한 극성을 띄게 된다. 코일 주변에 생성된 자기력선이 중첩되면서 코일 중앙에 한 방향으로 작용하는 자기력선이 발생하기 때문이다. 코르크스크류와 같은 나선 모양의 코일을 원통형으로 만든 것을 솔레노이드라고 하고, 양 끝을 모아 둥글게 만든 것은 환형 인덕터라고 한다.

솔레노이드에 형성되는 자기장. 둥그렇게 보이는 것은 전선의 단면이고 화살표가 표기된 선들은 자기력선을 나타낸 것이다.

전류가 흐르는 전선 고리의 자기장은 고리 중앙을 통과하며, 그곳에서 자기장을 집중시킨다.

전선에 흐르는 전류( $I$ )는 자기장( $B$ )을 생성한다. 자기장의 방향은 오른손 법칙에 따라 결정된다.

더 강한 자기장을 만들기 위해 코일 중앙에 철과 같은 강자성 물질로 만든 자기 코어를 놓는 것이 일반적이다. 투자율이 높은 자기 코어를 사용하면 자력선이 더 강해지기 때문이다.^[30]^[31] 오른손을 말아 쥐었을 때 검지나 단지가 말린 방향을 전류의 흐름이라고 하면, 엄지가 가리키는 방향이 자기력선의 방향, 즉 N극이 된다.

전선 코일을 통과하는 자기장의 방향은 오른손 법칙으로 찾을 수 있다.^[11]^[12] 오른손 손가락을 코일 주위의 전류 흐름(관습적 전류, 양전하의 흐름) 방향으로 감으면 엄지손가락이 코일 내부의 자기장 방향을 가리킨다. 자기장 선이 나오는 자석의 측면을 '북극'으로 정의한다.

자심을 코일 내부에 배치하면 훨씬 더 강력한 자기장을 생성할 수 있다.^[13]^[14]^[15]^[16] 자심은 재료의 높은 자기 투자율로 인해 자기장을 코일 단독의 자기장 강도의 수천 배로 증가시킬 수 있다.^[13]^[14]

3. 1. 자기 포화

자기 코어는 철과 같은 강자성체로 만들어지며, 자구라고 하는 작은 구획들로 구성된다. 전류가 흐르기 전에는 자구들이 무작위로 배열되어 자성을 띠지 않지만, 코일에 전류가 흐르면 자기력선을 따라 배열되어 강한 자기장을 만든다. 전자석이 만들어 낼 수 있는 최대 자력의 크기에 도달하는 것을 자기 포화라고 한다.^[14]

코일에 전류가 흐르지 않으면 자기 코어의 자구들은 무작위적인 극성을 나타내며 자기장을 잃는 이력 현상이 나타난다. 이때 일부 자구는 자기 방향을 유지하는데, 이를 잔류 자기라고 한다. 잔류 자기는 전자석 동작에 방해가 되므로 소거해야 한다.

강자성체는 특정 값에서 자기 포화가 나타나는 비선형적 특징을 보인다.^[14] 대부분의 고투자율 코어 강철의 경우 약 1.6 ~ 2 테슬라 (T)에서 포화된다.^[17]^[18]^[19] 이 값 이상에서는 자기장이 거의 일정하게 유지되므로, 철심 전자석의 최대 자기장 강도는 약 1.6 ~ 2 T로 제한된다.^[17]^[19]

3. 2. 잔류 자기

코일에 전류가 흐르지 않게 되면 자기 코어의 자구들은 다시 원래의 방향으로 무작위적인 극성을 나타내게 되고, 그 결과 자기장을 잃는 이력 현상이 나타나 자성을 잃게 된다. 이때 일부 자구는 전류가 흐르던 때에 배열되었던 자기 방향을 유지하는데 이를 잔류 자기라고 한다. 잔류 자기가 클 경우 자기 코어는 전류가 끊긴 상태에서도 약한 자성을 일정 기간 띌 수 있다. 전자석을 이용할 때 잔류 자기는 기계의 동작에 방해가 되므로 자기 코어의 자성을 소거하여야 한다.^[13]^[14]^[15]^[16]

4. 관련 이론

앙페르 회로 법칙에 따르면 교류가 흐르는 전선 주변에는 자기장이 형성되며, 이 자기장의 세기는 전류의 세기에 비례한다.^[30]^[31] 코일 형태로 전선을 감으면 자기장이 중첩되어 일정한 극성을 띠게 된다. 코르크스크류 모양의 나선을 원통형으로 만든 것을 솔레노이드라 하고, 양 끝을 모아 둥글게 만든 것은 환형 인덕터라 한다. 코일 중앙에 철과 같은 강자성 물질로 만든 자기 코어를 놓으면 투자율이 높아져 자력선이 더 강해진다.

전자석의 자기장은 앙페르 회로 법칙 또는 비오-사바르 법칙으로 설명할 수 있다. 자기 코어를 사용한 전자석에서 발생하는 자기장과 힘을 계산하기 어려운 이유는 누설 인덕턴스와 자기장의 비선형성 때문이다. 이러한 이유로 전자석 자기장 계산에는 유한요소법이 사용된다.

기자력(NI)은 전류와 전선을 감은 횟수에 비례한다. 자기 회로에서 앙페르 회로 법칙을 적용할 때는 자기 코어와 코일 사이의 간극을 고려해야 한다.^[35] 자기 코어의 투자율은 자기장에 따라 비선형적으로 변하며, 이력 곡선을 나타낸다. 기자력이 자기 포화에 이르면 자기 코어도 포화되어 자력은 NI에 비례한다.

대부분의 자기 코어는 강자성 물질을 사용하며, 투자율은 $\mu_r = \mu / \mu_0 \approx 2000 - 6000$ 정도이다.^[37]

4. 1. 관련 수식

관련 수식에 사용된 기호
기호	단위	설명
$A$	제곱미터	코어의 단면적
$B$	테슬라	자기장
$F$	뉴턴	자기장의 세기
$H$	암페어 매 미터	자기장의 크기
$I$	암페어	전선에 흐르는 전류의 크기
$L$	미터	$L_{\mathrm{core}}+L_{\mathrm{gap}}$를 지나는 자기장의 총 길이
$L_{\mathrm{core}}$	미터	자기 코어를 지나는 자기장의 길이
$L_{\mathrm{gap}}$	미터	자기 코어와 전선의 사이를 지나는 자기장의 길이
$m_1, m_2$	암페어 미터	전자석 극의 세기
$\mu$	뉴턴 매 제곱암페어	자기 코어의 투자율
$\mu_0$	뉴턴 매 제곱암페어	자유공간의 투자율 = 4π(10⁻⁷)
$\mu_r$	-	자기 코어의 간접 투자율
$N$	-	전선을 감은 횟수
$r$	미터	전자석 두 극의 간격

전자석이 만드는 자기장은 앙페르 법칙으로 설명할 수 있다.

: $\int \mathbf{J}\cdot d\mathbf{A} = \oint \mathbf{H}\cdot d\mathbf{l}$

위 식은 임의의 폐루프를 따라 자화장 $\mathbf{H}$를 적분한 값은 루프를 통과하는 전류의 합과 같다는 것을 의미한다. 비오-사바르 법칙은 전류의 각 작은 부분에 의한 자기장을 나타내는 또 다른 방정식이다.

전류에 의해 형성된 자기장은 전선을 감은 횟수인 '''N'''과 전류의 세기인 '''I'''에 비례한다. 암페어-횟수를 뜻하는 '''NI'''는 기자력을 나타낸다. 앙페르 회로 법칙을 단일 자기 회로를 가진 전자석에 적용할 때에는 자기 코어의 길이인 '''L'''_core 과 자기 코어와 코일 사이 간극의 길이인 '''L'''_gap 을 모두 고려해야 한다.^[35]

: $NI = H_{\mathrm{core}} L_{\mathrm{core}} + H_{\mathrm{gap}} L_{\mathrm{gap}}$

: $NI = B \left(\frac{L_{\mathrm{core}}}{\mu} + \frac{L_{\mathrm{gap}}}{\mu_0} \right) \qquad \qquad \qquad \qquad (1) \,$

:단, $\mu = B/H$

:$\mu_0 = 4 \pi (10^{-7}) \ \mathrm{N} \cdot \mathrm{A}^{-2}$는 자유공간, 즉 대기의 투자율

위의 식은 자기 코어의 투자율 $\mu$이 자기장 $B$에 의해 변화하는 비선형 방정식이다. 더 정확히는, 자기 코어의 투자율 $\mu$은 자기장 $B$에 대해 이력 곡선을 나타낸다. 자기장의 크기를 알 수 없을 경우, 방정식의 해는 수치 해석을 사용하여 근삿값을 구한다.

솔레노이드에서, 코어 재료의 특정 부분에 위치한 도체에 의해 전자석이 가하는 힘은 다음과 같다.

: $F = \frac{B^2 A}{2 \mu_0}$

위의 힘 방정식은 자기 에너지로부터 유도될 수 있다. 에너지는 힘에 거리를 곱한 값이다. 항을 재배열하면 위의 방정식이 유도된다.

폐쇄 자기 회로(공극 없음)의 경우, 예를 들어 극에 걸쳐 철 조각을 들어 올리는 전자석에서, 위의 식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

: $B = \frac{NI\mu}{L}$

힘을 최대화하기 위해서는 플럭스 경로 $L$이 짧고 단면적 $A$가 넓은 코어를 사용하는 것이 좋다.

5. 종류

전자석은 다양한 종류가 있으며, 그 중 하나는 다음과 같다.

'''단순 솔레노이드'''

일반적인 인력 전자석은 균일하게 감긴 솔레노이드와 플런저로 구성된다. 솔레노이드는 전선 코일이며, 플런저는 연철과 같은 재료로 만들어진다. 솔레노이드에 전류를 가하면 플런저에 힘이 가해져 움직이게 된다. 플런저는 힘의 균형을 이룰 때(예: 솔레노이드 중앙에 위치) 움직임을 멈춘다.^[6]

플런저의 한쪽 끝이 솔레노이드 중간에 있을 때 최대 균일 인력이 발생하며, 힘 ''F''의 근사값은 다음과 같다.^[6]

:

F = \frac{C A N I}{\ell}

''C'': 비례 상수
''A'': 플런저 단면적
''N'': 솔레노이드 코일 권수
''I'': 솔레노이드 와이어를 통과하는 전류
''ℓ'': 솔레노이드 길이

길고 가느다란 솔레노이드의 경우 C 값은 약 0.009~0.010 psi (플런저 단면적 1제곱인치당 최대 인력 파운드)이다.^[7]

솔레노이드에 자기 스토퍼를 삽입하면 최대 인력이 증가한다. 스토퍼는 플런저를 끌어당기는 자석 역할을 하며, 가까이 있을 때 인력을 크게 증가시킨다. 인력 ''P''의 근사값은 다음과 같다.^[9]

:

P = A N I \left[\frac{N I}{(\ell_\mathrm{a})^2 (C_1)^2} + \frac C \ell\right] = \frac{A N^2 I^2}{(\ell_\mathrm{a})^2 (C_1)^2} + \frac{C A N I}{\ell}

ℓ_a: 스토퍼 끝과 플런저 끝 사이의 거리
C₁: 가늘고 긴 솔레노이드에서 약 2660 (인치, 파운드, 암페어 단위)

위 식에서 괄호 안의 두 번째 항은 스토퍼가 없는 솔레노이드의 힘과 같고, 첫 번째 항은 스토퍼와 플런저 사이의 인력을 나타낸다.

기본 설계에서 스토퍼와 플런저 끝을 원뿔형으로 만들거나, 솔레노이드 외부에 자기 반환 경로를 추가하여 성능을 개선할 수 있다("철갑 솔레노이드").^[9]^[10]

5. 1. 단순 솔레노이드

일반적인 인력 전자석은 균일하게 감긴 솔레노이드와 플런저로 구성된다. 솔레노이드는 전선 코일이며, 플런저는 연철과 같은 재료로 만들어진다. 솔레노이드에 전류를 가하면 플런저에 힘이 가해져 움직일 수 있다. 플런저는 이에 가해지는 힘이 균형을 이룰 때 움직임을 멈춘다. 예를 들어, 플런저가 솔레노이드의 중앙에 위치할 때 힘의 균형이 이루어진다.^[6]

최대 균일 인력은 플런저의 한쪽 끝이 솔레노이드의 중간에 있을 때 발생한다. 힘 F 에 대한 근사값은 다음과 같다.^[6]

:

F = \frac{C A N I}{\ell}

여기서 C는 비례 상수이고, A는 플런저의 단면적이며, N은 솔레노이드의 코일 권수, I는 솔레노이드 와이어를 통과하는 전류이고, ℓ은 솔레노이드의 길이이다. 인치, 파운드 힘, 암페어를 사용하는 단위의 경우, 길고 가느다란 솔레노이드의 C 값은 약 0.009~0.010 psi (플런저 단면적 1제곱인치당 최대 인력 파운드)이다.^[7] 예를 들어, 12인치 길이의 코일 (ℓ = 12 in)에 1제곱인치 단면적 (A = 1 in²)의 긴 플런저와 11,200 암페어-턴 (N I = 11,200 Aturn)이 있으면 최대 인력이 8.75파운드 (C = 0.0094 psi에 해당)였다.^[8]

자기 스토퍼를 솔레노이드에 삽입하면 최대 인력이 증가한다. 스토퍼는 플런저를 끌어당기는 자석이 되며, 플런저가 멀리 떨어져 있을 때는 솔레노이드 인력에 거의 영향을 미치지 않지만, 가까이 있을 때는 인력을 극적으로 증가시킨다. 인력 P에 대한 근사값은 다음과 같다.^[9]

:

P = A N I \left[\frac{N I}{(\ell_\mathrm{a})^2 (C_1)^2} + \frac C \ell\right] = \frac{A N^2 I^2}{(\ell_\mathrm{a})^2 (C_1)^2} + \frac{C A N I}{\ell}

여기서 ℓ_a는 스토퍼 끝과 플런저 끝 사이의 거리이다. 가늘고 긴 솔레노이드에 대한 인치, 파운드 및 암페어 단위의 추가 상수 C₁는 약 2660이다. 괄호 안의 두 번째 항은 위에서 스토퍼가 없는 솔레노이드와 동일한 힘을 나타내고, 첫 번째 항은 스토퍼와 플런저 사이의 인력을 나타낸다.

기본적인 설계에 대한 몇 가지 개선이 가능하다. 스토퍼와 플런저의 끝은 종종 원뿔형이다. 예를 들어, 플런저는 스토퍼의 일치하는 홈에 맞는 뾰족한 끝을 가질 수 있다. 이러한 모양은 분리 정도에 따른 솔레노이드의 인력을 더욱 균일하게 만든다. 또 다른 개선 사항은 솔레노이드 외부 주변에 자기 반환 경로를 추가하는 것이다 ("철갑 솔레노이드").^[9]^[10] 자기 반환 경로는 스토퍼와 마찬가지로 에어 갭이 작아질 때까지 거의 영향을 미치지 않는다.

6. 응용

전자석은 물체를 제자리에 고정하는 휴대용 전자석(예: 들어올리는 자석)이나, 힘을 가하여 무언가를 움직이는 인력 전자석^[6] 등으로 활용된다.

전자석은 전동기, 발전기, 변압기 등 다양한 전기 기기 및 전기 기계 장치에 널리 사용된다. 자기 기록 및 데이터 저장 장비, 자기 공명 영상(MRI) 기기, 질량 분석기, 입자 가속기 등에도 활용된다. 한국에서는 자기부상열차, 핵융합 발전, 의료용 가속기 등 첨단 기술 분야에서 전자석 기술이 활발하게 연구되고 있다.

6. 1. 구체적인 사용 예시

전자석은 다음과 같은 전기 기기 및 전기 기계 장치에 매우 널리 사용된다.^[6]

전동기 및 발전기
변압기
계전기
전기 벨 및 부저
스피커 및 헤드폰
밸브와 같은 액추에이터
자기 기록 및 데이터 저장 장비: 테이프 레코더, VCR, 하드 디스크
자기 공명 영상 (MRI) 기기
질량 분석기와 같은 과학 장비
입자 가속기
자물쇠
자기 분리 장비 (고철에서 철금속을 다른 재료와 분리하는 것과 같이 자기 재료와 비자기 재료를 분리하는 데 사용)
산업용 들어올리는 자석
자기 부상 (자기 부상 열차 또는 기차에 사용)
요리, 제조 및 고온 요법을 위한 유도 가열
계전기 (릴레이): 스위치의 온오프로 개폐하는 전자 밸브, 전류 신호에 의해 스위치를 제어한다.
전자 개폐기 (마그넷 스위치): 전자석의 동작에 의해 개폐하는 스위치.
전동기나 발전기의 계자나 전기자
와전류 브레이크
자기 부상 철도 (리니어 모터카)
코일건: 탄환을 가속, 발사시키는 장치.
핵융합로의 자기장 가둠 방식: 자기장으로 플라즈마를 가둔다.
핵자기 공명 영상법
전자 마찰 클러치: 후지중공업의 ECVT 등에 사용된다.
모터

7. 고급 전자석

초전도 자석은 1.6 T 이상의 자기장이 필요할 때 사용된다. 강자성 재료 대신 액체 헬륨으로 냉각되는 초전도성 전선을 사용하여 전기 저항 없이 전류를 전도시켜 강한 자기장을 생성한다. 초전도 자석은 권선 재료가 초전도성을 잃는 자기장 강도에 의해 제한되며, 현재 설계는 10–20 T로 제한된다. 2017년 기준 최고 기록은 32 T이다.^[22]^[23] 냉각 장비와 저온 유지 장치가 필요하여 일반적인 전자석보다 비싸지만, 고출력 응용 분야에서는 운영 비용이 낮아 이 단점을 상쇄할 수 있다. 입자 가속기 및 자기 공명 영상 장치에 사용된다.

프랜시스 비터가 1933년에 발명한 비터 전자석은 '공심' 비초전도 전자석으로, 전선 권선 대신 전도성 디스크를 쌓아 만든 솔레노이드 형태이다. 전류는 디스크들을 나선형으로 통과하며, 중심부에 최대 자기장이 형성되는 구멍이 있다. 이 구조는 자기장의 제곱에 비례하여 증가하는 로렌츠 힘을 견딜 수 있는 기계적 강도를 갖는다.^[24] 디스크에는 고전류로 발생하는 열을 제거하기 위해 냉각수가 순환하는 구멍이 있다.

2017년 8월 22일 기준, 국립 고자장 연구소의 비터 전자석으로 생성된 순수 저항 자석의 가장 강력한 연속 자기장은 41.5 T였다.^[25] ^[26] 이전 기록은 37.5 T였다.^[27] 2000년 6월에는 초전도 자석 내부에 비터 자석을 배치한 하이브리드 장치를 통해 45 T의 연속 자기장을 달성했다.^[24]

전자석의 강도는 폐열 처리 능력에 의해 제한되므로, 최대 100 T^[23]의 강력한 자기장은 저항 자석에 짧은 고전류 펄스를 가하여 얻을 수 있다. 각 펄스 이후에는 비활성 기간을 두어 열을 제거한 후 다음 펄스를 가한다.

thumb이 갇히게 된다. 폭발물이 튜브를 붕괴시켜 직경을 줄이고 자기력선이 더 가까워져 자기장이 증가한다.]]

가장 강력한 인공 자기장^[28]은 폭발 플럭스 압축 발전기를 사용하여 생성되었으며, 폭발물로 전자석 내부의 자기장을 압축한다. 내파는 자기장을 수 마이크로초 동안 약 1000T^[24]로 압축한다. 폭약 성형은 폭발을 외부로 향하게 하여 실험 피해를 최소화한다. 이러한 장치는 파괴적인 펄스 전자석으로 알려져 있으며,^[29] 물리학 및 재료 과학 연구에 사용된다.

7. 1. 초전도 전자석

초전도 자석은 1.6 T의 강자성 한계보다 높은 자기장이 필요할 때 사용된다. 강자성 재료 대신 액체 헬륨으로 냉각되는 초전도성 전선을 사용하여 전기 저항 없이 전류를 전도시킨다. 이를 통해 엄청난 전류가 흘러 강한 자기장을 생성한다. 초전도 자석은 권선 재료가 초전도성을 잃는 자기장 강도에 의해 제한된다. 현재 설계는 10–20 T로 제한되며, 2017년 기준 최고 기록은 32 T이다.^[22]^[23] 필요한 냉각 장비와 저온 유지 장치 때문에 일반적인 전자석보다 훨씬 비싸다. 그러나 고출력 응용 분야에서는 시동 후 권선에 전력이 필요하지 않고 옴성 가열로 에너지가 손실되지 않으므로 운영 비용이 낮아 이러한 단점을 상쇄할 수 있다. 초전도 전자석은 입자 가속기 및 자기 공명 영상 장치에 사용된다.

7. 2. 비터 전자석

프랜시스 비터가 1933년에 발명한 '공심' 비초전도 전자석인 비터 전자석은 전선 권선 대신 전도성 디스크를 쌓아 만든 솔레노이드 형태이다. 전류는 이 디스크들을 나선형으로 통과하며, 중심부에 최대 자기장이 형성되는 구멍이 있다. 이 구조는 자기장의 제곱에 비례하여 증가하는 극심한 로렌츠 힘을 견딜 수 있는 기계적 강도를 갖는다.^[24] 또한, 디스크에는 고전류로 발생하는 열을 제거하기 위해 냉각수가 순환하는 구멍이 뚫려 있다.

2017년 8월 22일 기준, 순수 저항 자석으로 달성된 가장 강력한 연속 자기장은 41.5 테슬라였으며, 이는 플로리다주 탤러해시에 위치한 국립 고자장 연구소의 비터 전자석으로 생성되었다.^[25] ^[26] 이전 기록은 37.5 T였다.^[27] 2000년 6월에는 초전도 자석 내부에 비터 자석을 배치한 하이브리드 장치를 통해 전체적으로 가장 강력한 연속 자기장인 45 T를 달성했다.^[24]

전자석의 강도는 막대한 폐열을 처리하는 능력에 의해 제한되므로, 최대 100 T^[23]에 이르는 더 강력한 자기장은 저항 자석에 짧은 고전류 펄스를 가하여 얻을 수 있다. 각 펄스 이후에는 비활성 기간을 두어 펄스 동안 발생한 열을 제거한 후 다음 펄스를 가한다.

7. 3. 폭발 플럭스 압축 발전기

thumb이 갇히게 된다. 그런 다음 폭발물이 튜브를 붕괴시켜 직경을 줄이고 자기력선이 더 가까워져 자기장이 증가한다.]]

가장 강력한 인공 자기장^[28]은 폭발물을 사용하여 전자석 내부의 자기장을 압축하여 생성되었으며, 이를 폭발 플럭스 압축 발전기라고 한다. 내파는 자기장을 수 마이크로초 동안 약 1000T^[24]의 값으로 압축한다. 이 방법은 매우 파괴적으로 보일 수 있지만, 폭약 성형은 폭발을 외부로 향하게 하여 실험에 대한 피해를 최소화한다. 이러한 장치는 파괴적인 펄스 전자석으로 알려져 있다.^[29] 이는 고자기장에서 재료의 특성을 연구하기 위해 물리학 및 재료 과학 연구에 사용된다.

8. 부작용

전자석에는 설계 시 고려해야 할 몇 가지 부작용이 있으며, 이러한 부작용은 일반적으로 대형 전자석에서 더 중요해진다.

'''로렌츠 힘''': 강한 전자석에서 자기장은 로렌츠 힘을 통해 코일 각 부분에 힘을 가한다. 이 힘은 전선 축과 자기장 모두에 수직이며, 자기력선 사이의 압력으로 시각화할 수 있다. 이는 전자석 권선에 두 가지 영향을 미친다.
코일 축 내 자기력선은 권선의 각 턴에 방사형 힘을 가해 바깥쪽으로 밀어내며, 전선에 인장 응력을 유발한다.
코일 각 턴 사이의 누설 자기력선은 인접한 턴 사이에 인력을 가해 서로 끌어당긴다.
로렌츠 힘은 ''B²''에 따라 증가한다. 대형 전자석에서 권선은 전원 공급 및 차단 시 움직임으로 인한 금속 피로를 방지하기 위해 단단히 고정되어야 한다.
'''코어 손실''': 교류 전자기기에서는 자기장이 지속적으로 변하여 자성 코어에서 에너지 손실이 발생하고, 이는 열로 소산된다. 이러한 손실은 와전류와 히스테리시스 손실 두 가지 과정에서 비롯된다.
'''와전류''': 패러데이의 유도 법칙에 따라 변화하는 자기장은 주변 도체에 와전류를 유도한다. 이 전류의 에너지는 도체의 전기 저항에서 열로 소산된다. 이를 방지하기 위해 교류 전자기기의 코어는 얇은 강철 시트(적층)로 만들어지며, 표면에 절연 코팅이 되어 있다.
'''히스테리시스 손실''': 코어 재료의 자구 자화 방향이 반전될 때마다 재료의 보자력으로 인해 에너지 손실이 발생한다. 이러한 손실을 최소화하기 위해 실리콘 강철 또는 소프트 페라이트와 같은 "연성" 저보자력 재료가 사용된다.

8. 1. 오믹 가열

직류 전자석이 정상 상태에서 소비하는 전력은 권선의 전기 저항에 의한 것이 유일하며, 이는 열로 소산된다.^[1] 일부 대형 전자석은 폐열을 배출하기 위해 권선에 수냉 시스템을 갖추고 있다.^[1]

자장의 세기는 권선의 감은 횟수 ''N''과 전류 ''I''의 곱에 비례하므로, 이 곱이 일정하게 유지되는 한 열 손실을 최소화할 수 있다.^[2] 전력 손실(''P'' = ''I''²''R'')은 전류의 제곱에 따라 증가하지만 권선의 수에는 대략 선형적으로만 증가한다. 따라서 권선에서 손실되는 전력은 ''I''를 줄이고 감은 횟수 ''N''을 비례적으로 늘리거나, 더 두꺼운 전선을 사용하여 저항을 줄임으로써 최소화할 수 있다.^[2] 예를 들어 ''I''를 반으로 줄이고 ''N''을 두 배로 늘리거나, 전선의 면적을 두 배로 늘리면 전력 손실은 절반으로 줄어든다.^[2] 어느 경우든 전선의 양을 늘리면 저항 손실이 줄어든다.^[2] 이러한 이유로 전자석은 종종 상당한 두께의 권선을 갖는다.^[2]

그러나 ''N''을 증가시키거나 저항을 낮추는 데에는 한계가 있다. 권선이 자석의 코어 조각들 사이의 더 많은 공간을 차지하기 때문이다.^[3] 권선을 위한 사용 가능한 영역이 다 채워지면, 더 많은 감은 횟수를 위해 더 작은 직경의 전선을 사용해야 하는데, 이는 더 높은 저항을 가지므로 더 많은 감은 횟수를 사용하는 것의 장점을 상쇄한다.^[3] 따라서 대형 자석에서는 줄일 수 없는 최소한의 열 손실이 존재하며, 이는 자기 선속 ''B''²에 비례하여 증가한다.^[3]

8. 2. 유도 전압 스파이크

전자석은 상당한 인덕턴스를 가지며, 권선을 통과하는 전류의 변화에 저항한다. 권선 전류의 급격한 변화는 권선 전체에 걸쳐 큰 전압 스파이크를 발생시킨다. 이는 자석을 켤 때처럼 자석의 전류가 증가할 때 회로의 에너지가 자기장에 저장되어야 하기 때문이다. 자석을 끌 때는 자기장의 에너지가 회로로 반환된다.

일반적인 스위치를 사용하여 권선 전류를 제어하는 경우, 스위치 단자에서 스파크가 발생할 수 있다. 자석을 켤 때는 제한된 공급 전압으로 인해 자석과 자기장을 통과하는 전류가 천천히 증가하므로 이러한 현상은 발생하지 않지만, 자석을 끌 때는 자기장의 에너지가 갑자기 회로로 반환되어 큰 전압 스파이크가 발생하고 스위치 접점에 아크가 발생하여 손상될 수 있다. 작은 전자석의 경우, 때때로 접점에 커패시터를 사용하여 전류를 일시적으로 저장함으로써 아크를 줄인다. 더 자주 사용되는 방법은 다이오드를 사용하여 에너지가 열로 소산될 때까지 전류가 권선을 통해 재순환하는 경로를 제공하여 전압 스파이크를 방지하는 것이다. 다이오드는 권선에 연결되어 있으며, 정상 작동 중에는 역 바이어스되어 전류가 흐르지 않도록 한다. 공급 전압이 제거되면 전압 스파이크가 다이오드를 순방향 바이어스하고, 반응성 전류는 권선을 통과하여 다이오드를 거쳐 다시 권선으로 흐른다. 이러한 방식으로 사용되는 다이오드를 프리휠링 다이오드 또는 플라이백 다이오드라고 한다.

대형 전자석은 일반적으로 마이크로프로세서로 제어되는 가변 전류 전자 전원 공급 장치에 의해 전원이 공급되며, 전류 변화를 완만한 경사로 천천히 수행하여 전압 스파이크를 방지한다. 대형 자석을 여자(勵磁) 또는 소자(消磁)하는 데 몇 분이 걸릴 수 있다.

8. 3. 로렌츠 힘

강력한 전자석에서 자기장은 로렌츠 힘에 의해 코일 각 권선에 힘을 가하며, 이는 전선 내에서 움직이는 전하에 작용한다. 로렌츠 힘은 전선의 축과 자기장 모두에 수직이다. 이는 자기력선 사이의 압력으로 시각화할 수 있으며, 자기력선을 서로 밀어낸다. 이는 전자석 권선에 두 가지 영향을 미친다.^[1]

코일 축 내의 자기력선은 권선의 각 턴에 방사형 힘을 가하여 모든 방향으로 바깥쪽으로 밀어내는 경향이 있다. 이로 인해 전선에 인장 응력이 발생한다.^[1]
코일 각 턴 사이의 누설 자기력선은 인접한 턴 사이에 인력을 가하여 서로 끌어당기는 경향이 있다.^[1]

로렌츠 힘은 ''B²''에 따라 증가한다. 대형 전자석에서 권선은 전원 공급 및 전원 차단 시 움직임으로 인해 권선에 금속 피로가 발생하는 것을 방지하기 위해 단단히 고정되어야 한다. 매우 강한 자기장 연구 자석에 사용되는 비터 전자석 설계에서 권선은 방사형 힘에 저항하도록 평평한 디스크 형태로 구성되며, 축 방향 힘에 저항하도록 축 방향으로 고정된다.^[1]

8. 4. 코어 손실

교류 (AC) 전자기기, 즉 변압기, 인덕터, 교류 전동기 및 발전기에 사용되는 전자기기에서는 자기장이 끊임없이 변화한다. 이로 인해 자성 코어에서 에너지 손실이 발생하며, 이는 코어에서 열로 소산된다. 이러한 손실은 다음 두 가지 과정에서 비롯된다.

'''와전류''': 패러데이의 유도 법칙에 따라, 변화하는 자기장은 근처의 도체 내부에 순환하는 전류를 유도하며, 이를 와전류라고 한다. 이러한 전류의 에너지는 도체의 전기 저항에서 열로 소산되므로 에너지 손실의 원인이 된다. 자석의 철심은 전도성이 있으며 대부분의 자기장이 그곳에 집중되어 있으므로 코어의 와전류가 주요 문제이다. 와전류는 자기장에 수직인 평면에서 흐르는 닫힌 전류 루프이다. 소산되는 에너지는 루프가 둘러싸는 면적에 비례한다. 이를 방지하기 위해 교류 전자기기의 코어는 자기장에 평행하게 정렬된 얇은 강철 시트 또는 적층으로 만들어지며, 표면에 절연 코팅이 되어 있다. 절연층은 시트 사이의 와전류 흐름을 방지한다. 남아있는 와전류는 각 개별 적층의 단면 내에서 흐르도록 해야 하며, 이는 손실을 크게 줄인다. 또 다른 대안은 비전도체인 페라이트 코어를 사용하는 것이다.

'''히스테리시스 손실''': 각 사이클마다 코어 재료의 자구의 자화 방향을 반전시키면 재료의 보자력으로 인해 에너지 손실이 발생한다. 이러한 손실을 히스테리시스라고 한다. 사이클당 손실되는 에너지는 ''BH'' 그래프의 히스테리시스 곡선 면적에 비례한다. 이러한 손실을 최소화하기 위해 변압기 및 기타 교류 전자기기에 사용되는 자성 코어는 실리콘 강철 또는 소프트 페라이트와 같이 "연성" 저보자력 재료로 만들어진다. 각 과정에서 교류의 사이클당 에너지 손실은 일정하므로, 전력 손실은 주파수에 따라 선형적으로 증가한다.

참조

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