아라고의 원판
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1. 개요
아라고의 원판은 1824년 프랑스의 물리학자 아라고가 발견한 현상으로, 회전하는 구리 원반 위에 자석을 놓으면 원반이 자석의 회전 방향으로 끌려가는 현상을 말한다. 이 현상은 자기장의 변화에 의해 도체 내에 와전류가 발생하고, 이 와전류와 자석 사이의 상호 작용으로 인해 나타난다. 아라고의 원판 현상은 전자기 유도와 와전류의 개념을 설명하는 중요한 사례이며, 풍속계, 속도계, 전력량계, 유도 전동기 등 다양한 분야에 응용되고 있다.
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| 아라고의 원판 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 명칭 | 아라고의 원반 |
| 로마자 표기 | Arago-ui wonban |
| 영어 명칭 | Arago's rotations |
| 일본어 명칭 | アラゴーの円板 (Aragō no enban) |
| 현상 | |
| 설명 | 자기장 속에서 회전하는 금속 원반에 작용하는 힘 전자기 유도의 한 예 |
| 발견자 | 프랑수아 아라고 |
| 발견 시기 | 1824년 |
| 관련 법칙 | 렌츠의 법칙 |
| 원리 및 응용 | |
| 원리 | 원반의 회전은 원반 내부의 전류를 유도함. 유도된 전류는 자기장과 상호 작용하여 원반의 회전을 방해하는 힘을 생성함. |
| 응용 | 전동기 발전기 와전류 제동 장치 |
2. 역사
아라고의 회전 현상은 19세기 초 여러 과학자들에 의해 거의 동시에 발견되었다. 1824년경 파리의 기기 제작자 갬비는 나침반 바늘이 구리 상자 안에서 더 빨리 멈춘다는 것을 관찰했다.[1][2] 울위치의 바로우와 마쉬[3]는 철구 회전에 의한 자기 바늘의 영향을 관찰하고 있었다. 아라고[4][5][6]는 이 현상을 갬비에게서 들었거나, 1822년 훔볼트와 자기 측정을 하다가 독립적으로 발견했다고 전해지며,[7] 1824년 11월 22일 아카데미 데 사이언스에서 구두 발표를 통해 처음으로 공개했다. 그는 여러 재료로 만든 고리 안에서 나침반 바늘을 진동시켜 다음과 같은 결과를 얻었다.
| 고리 재료 | 진동 횟수 |
|---|---|
| 나무 | 145회 |
| 얇은 구리 | 66회 |
| 튼튼한 구리 | 33회 |
아라고는 이 현상을 '회전 자성'이라 명명하고,[4][5][6] 자석 바늘과 구리 덩어리 사이에 상대적인 운동이 있을 때만 힘이 존재한다고 보았다. 1825년, 아라고는 회전하는 구리 원반 위에 매달린 나침반 바늘이 원반의 회전 방향으로 끌리는 현상을 추가로 발표했다.
2. 1. 초기 관찰 및 발표
자기 회전 현상의 발견은 여러 사람에 의해 거의 동시에 이루어졌으며, 이들 모두가 우선권을 주장했다. 1824년경, 파리의 기기 제작자인 갬비[1][2]는 나침반 바늘이 축을 중심으로 진동할 때, 나침반 상자의 바닥이 나무나 다른 재료로 만들어진 경우보다 구리로 만들어진 경우 더 빨리 멈춘다는 것을 우연히 관찰했다. 울위치에서 바로우와 마쉬[3]는 동시에 철구의 회전에 의한 자기 바늘의 영향을 관찰하고 있었다. 천문학자 아라고[4][5][6]는 이 현상을 갬비에게서 들었다고 전해지지만, 1822년 훔볼트와 함께 자기 측정을 하다가 독립적으로 발견했다고도 전해지며,[7] 1824년 11월 22일 파리의 아카데미 데 사이언스에서 구두로 발표하여 관찰 내용을 처음으로 발표한 사람이었다. 그는 다양한 재료로 만든 고리 안에 나침반 바늘을 매달고, 바늘을 45° 정도 옆으로 밀어 각도의 진폭이 10°로 감소하기 전에 바늘이 진동하는 횟수를 세었다. 실험 결과는 다음과 같다.| 고리 재료 | 진동 횟수 |
|---|---|
| 나무 | 145회 |
| 얇은 구리 | 66회 |
| 튼튼한 구리 | 33회 |
2. 2. 회전 자성 (Magnetism of rotation)
울위치의 바로우와 마쉬[3]는 철구의 회전에 의한 자기 바늘의 영향을 관찰하던 중, 아라고는 이 현상을 갬비에게서 들었지만, 1822년 훔볼트와 자기 측정을 하다가 독립적으로 발견했다고도 전해진다.[7] 1824년 11월 22일 파리의 ''아카데미 데 사이언스''에서 구두로 발표하여 처음으로 관찰 내용을 발표했다. 그는 여러 재료로 만든 고리 안에 나침반 바늘을 매달고 실험하였는데, 구리 덩어리의 존재는 바늘의 진동을 감쇠시키는 효과를 낸다는 것을 발견했다. 아라고는 이 현상이 자석 바늘과 구리 덩어리 사이에 상대적인 운동이 있을 때에만 존재하는 힘을 증명한다고 보았고, '''회전 자성'''이라고 명명했다.[4][5][6]1825년, 아라고는 작용과 반작용의 원리에 따라 구리 원반의 운동으로 정지된 바늘에 반작용을 일으키는 추가 실험을 발표했다. 회전하는 구리 원반 위에 나침반 바늘을 매달아 놓으면, 바늘은 자기 자오선에서 벗어나 원반의 회전 방향으로 끌리는 현상이 나타났다. 회전이 빨라지면 편향이 커지고, 바늘이 90° 이상 끌리면 지속적인 회전이 이어졌다. 또한, 회전하는 원반 위에 바늘을 수직으로 매달았을 때, 원반이 회전하면 바늘이 밀려나는 현상도 발견했다. 원반에 가까운 극은 방사형 힘의 영향을 받아, 원반 가장자리에 가까울수록 바깥쪽으로, 중심에 가까울수록 안쪽으로 밀어내는 경향이 있었다.
푸아송은 쿨롱의 원거리 자기 작용 개념을 바탕으로 회전 자성에 대한 이론을 제시했지만, 아라고는 이 이론이 사실과 다르다고 지적했다.
자유롭게 매달린 자침은 구리 원판 위, 약간 떨어진 곳에 위치한다. 원판이 정지해 있으면 자침은 지구 자기장에 맞춰 정렬되지만, 원판이 회전하면 자침도 같은 방향으로 회전한다. 이 효과는 자석과 원판 사이 거리가 멀수록 감소한다.
이러한 현상은 다음과 같은 변형 실험으로도 관찰할 수 있다.
| 실험 내용 | 결과 |
|---|---|
| 원판을 최소한의 마찰로 자유롭게 회전시키고, 자침을 그 위나 아래에서 회전 | 원판은 자침과 같은 방향으로 회전 (자침이 더 큰 자석일 때 관찰 용이) |
| 자침이 회전하지 못하게 고정 | 자침의 존재는 원판의 회전을 지연 (자침이 더 큰 자석일 때 관찰 용이) |
| 전기 전도성을 가진 다른 비자성 재료 (은, 알루미늄, 아연 등 비철금속) 사용 | 동일한 효과 발생 |
| 비전도성 비자성 재료 (나무, 유리, 플라스틱, 얼음 등) 사용 | 효과 없음 |
도체와 자석의 상대적인 움직임은 도체 내에 와전류를 유도하며, 이는 상대적인 움직임에 반대하거나 저항하는 힘 또는 토크를 생성하거나, 물체를 "결합"하려 한다. 이러한 저항력은 와전류 제동 및 자기 감쇠에 사용된다.
2. 3. 다른 과학자들의 연구
배비지와 허셜은 여러 물질의 감속력을 측정했다. 은과 구리(둘 다 전기의 가장 좋은 도체)에서 가장 강력했고, 금, 아연, 납, 수은, 비스무트 순으로 약해졌다.[1][2][3][4][5][6][7] 1825년, 그들은 아라고의 실험을 반대로 하여, 회전하는 구리 원반 아래에서 자석을 회전시켜 자석을 회전시켰다. 또한 구리 원반에 방사형 슬릿을 내면 회전력이 감소하는 현상을 발견했다. 슬릿이 없는 원반의 회전력을 100으로 할 때, 방사형 슬릿 하나는 88, 두 개는 77, 네 개는 48, 여덟 개는 24로 감소했다. 1826년, 앙페르는 회전하는 구리 원반이 전류가 흐르는 구리선에 회전력을 가한다는 것을 보였다.독일의 제벡, 스위스의 프레보와 콜라동, 이탈리아의 노빌리와 바첼리는 영국 과학자들의 관찰을 확인하고 추가적인 관찰을 했다. 스터전은 움직이는 구리 원반에 대한 자석 극의 감쇠 효과가 반대 극성의 두 번째 자석 극을 배치하면 감소한다는 것을 보였다. 5년 후, 스터전은 이 효과가 전기적 교란, 즉 "전자기 현상의 반작용"이라고 결론 내렸다.
1831년, 패러데이는 자기-전기 유도 연구를 발표하며 아라고 회전 현상의 원리를 밝혔다. 패러데이는 자석과 구리 원반의 상대적 움직임이 원반에 전류를 발생시키고, 이것이 자석 극에 반응하여 상대적 움직임을 감소시키는 상호 작용력을 일으킨다고 설명했다.
2. 4. 패러데이와 마테우치의 와전류 실험
패러데이는 강력한 자석의 극 사이에 구리 원판을 가장자리로 삽입하고 회전시켜 와전류를 발생시키는 실험을 했다. 그는 가장자리와 축에 전류를 빼내기 위해 스프링 접촉기를 사용했다. 운동과 자기장의 선에 수직으로 작용하는 기전력은 원판의 반경을 따라 흐르는 전류를 생성했다. 외부 경로가 제공되지 않으면 전류는 원판의 금속 내에서 자체적인 내부 반환 경로를 찾아 순환했다.[9][10][11]와전류의 순환 방향은 항상 상대적인 운동에 반대하는 경향이 있다. 극에서 멀어지는 부분의 와전류는 극을 앞으로 당기거나 이 원판 부분을 뒤로 끌어당기는 경향이 있다. 극으로 접근하는 부분의 와전류는 해당 극을 밀어내고, 그에 의해 밀려나는 경향이 있다. 원판에 자른 슬릿은 와전류의 흐름을 제한하지만, 기전력을 감소시키지는 않는다.[9][10][11]
스터전[9][10][11]의 연구에서는 원판에서 와전류가 흐르는 방향을 확인하기 위한 여러 실험이 설명되어 있다. 마테우치는 이와 유사하지만 더 완벽한 연구를 수행했다.
2. 5. 기타 과학자들의 구리판 실험
1884년, 윌러비 스미스는 회전하는 금속 원반에 대한 연구를 발표했는데, 그는 철 원반이 같은 크기의 구리 원반보다 더 큰 기전력을 발생시킨다는 것을 발견했다.[12]1879년에 구트리(Guthrie)와 보이스(Boys)는 비틀림 실을 이용하여 회전하는 자석 위에 구리판을 매달아 놓고, 비틀림이 회전 속도에 정비례한다는 것을 발견했다.[13][14][15] 그들은 이러한 장치가 기계의 속도를 측정하는 매우 정확한 장치라고 지적했다. 또한 구리판과 자석 사이의 거리를 변화시키고 구리 원반의 직경과 두께를 변화시키는 실험도 수행했다. 다양한 금속에 대한 실험이 이루어졌으며, 토크는 판 형태로 압연된 후 판단할 수 있는 한 금속의 전도도에 따라 달라진다는 것을 발견했다. 구트리와 보이스는 이 방법을 액체의 전도도 측정에 적용했다.
1880년, 드 퐁비엘(De Fonvielle)과 롱탱(Lontin)은 가볍게 회전하는 구리 원반이, 자석이 있는 상태에서, 직사각형 프레임에 감긴 구리선 코일(옛날 검류계의 코일과 유사) 내부에 놓이고, 일반적인 룸코프 유도 코일로부터 교류 전류가 공급되면, 한 번 시작하면 지속적으로 회전할 수 있다는 것을 관찰했다. 그들은 그들의 장치를 전자기 자이로스코프라고 불렀다.
3. 원리
자유롭게 매달린 자침이 구리 원판 위, 약간 떨어진 곳에 위치해 있을 때, 원판이 정지해 있으면 자침은 지구의 자기장에 맞춰 정렬된다. 원판이 회전하면, 자침도 원판과 같은 방향으로 회전한다. 이 효과는 자석과 원판 사이의 거리가 멀어질수록 감소한다. 자침을 회전시키면 원판도 같은 방향으로 회전하며, 자침이 회전하지 못하게 하면 원판의 회전을 지연시킨다.
이러한 현상은 은, 알루미늄, 아연과 같은 비철금속에서도 나타나지만, 나무, 유리, 플라스틱, 얼음 등 비전도성 비자성 재료에서는 나타나지 않는다.
아라고의 회전은 전자기 유도와 와전류의 원리로 설명된다. 도체와 자석의 상대적인 움직임은 도체 내에 와전류를 유도하며, 이는 상대적인 움직임에 반대하는 힘 또는 토크를 생성한다.
3. 1. 전자기 유도
자기장이 이동하면 전자기 유도에 의해 전도체 내에 와전류가 생긴다. 와전류에 의한 자기장과 자석에 의한 자기장이 상호 작용하여 전도체의 운동이 일어난다.3. 2. 와전류 (Eddy current)
도체와 자석이 상대적으로 움직이면 도체 내에 와전류가 유도된다. 이 와전류는 상대적인 움직임에 반대하거나 저항하는 힘 또는 토크를 생성하여 물체를 "결합"하려는 성질을 띤다.[1] 이러한 저항력은 와전류 제동 및 자기 감쇠에 사용된다.[1]전자기 유도에 의해 도체 내에 와전류가 발생하면, 와전류에 의한 자기장과 자석에 의한 자기장이 상호 작용하여 도체의 운동이 일어난다.[1]
3. 3. 슬립 (Slip)
자석의 회전 속도를 동기 속도라고 하며, 동기 속도와 금속판의 회전 속도의 차이를 상대 속도라고 한다. 상대 속도는 금속판에서 본 자석의 회전 속도이기도 하다. 상대 속도와 동기 속도의 비를 슬립(slip)이라고 한다.슬립이 0에 가까워지면 금속판의 와전류가 작아지고 토크도 작아진다.
4. 응용
아라고의 회전 현상은 여러 분야에서 활용되고 있다. 예를 들어 풍속계, 자동차의 속도계 및 회전계(기계식), 전력량계 등 다양한 측정 기기와 유도 전동기, 유도 원판형 과전류 계전기와 같은 전기 기기에 응용된다.
4. 1. 측정 기기
- 풍속계: 바람의 속도를 측정하는 데 사용된다.
- 자동차의 속도계 및 회전계(기계식): 자동차의 속도와 엔진 회전 속도를 측정하는 데 사용된다.
- 전력량계: 전기 사용량을 측정하는 데 사용된다.
4. 2. 전기 기기
- 유도 전동기: 전자기 유도 원리를 이용하여 회전력을 얻는 전동기이다.
- 유도 원판형 과전류 계전기: 과전류 발생 시 회로를 차단하는 보호 장치이다.
참조
[1]
서적
Cours de Physique
https://books.google[...]
Gauthier-Villars et fils
[2]
서적
Conferences de Physique
https://archive.org/[...]
Impr. Nationale
[3]
서적
The Edinburgh philosophical journal
https://archive.org/[...]
Archibald Constable & co.
[4]
서적
Annales de chimie et de physique
https://archive.org/[...]
Chez Crochard
[5]
서적
Annales de chimie et de physique
https://archive.org/[...]
Chez Crochard
[6]
서적
Annales de chimie et de physique
https://archive.org/[...]
Chez Crochard
[7]
서적
Ceuvres Completes De Francois Arago
https://books.google[...]
Gide et J. Baudry
[8]
문서
[9]
서적
The Edinburgh Philosophical Journal
https://archive.org/[...]
Archibald Constable
[10]
서적
Philosophical Magazine And Journal Of Science
https://archive.org/[...]
Taylor and Francis
[11]
서적
Scientific researches
https://archive.org/[...]
T. Crompton
[12]
서적
Lecture at Royal Institution: "Volta and Magneto Electric Induction"
[13]
서적
Proceedings of the Physical Society
Taylor and Francis
[14]
서적
Proceedings of the Physical Society
Taylor and Francis
[15]
서적
Proceedings of the Physical Society
Taylor and Francis
[16]
간행물
アラゴーの円板
2022-02-10
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