전기기사 (전기자기학) 출제 빈도 No.2 자성체와 자기회로

전기기사 과목 중 전기자기학에서 출제 빈도가 두번째로 높은 자성체와 자기회로에 대해서 소개하도록 하겠습니다.

전기자기학의 이름을 보더라도 전기와 자기 2파트로 구성되어 있다는 것을 알 수 있습니다. 전기를 이루는 특성들과 자기들이 이루는 특성들이 거의 동일하거나 비슷하다고 볼 수 있습니다. 그래서 전기를 먼저 이해하고 자기를 이해하는 게 공부하는데 수월하다고 할 수 있습니다.

자성체에서는 가장 중요한 이론은 히스테리시스 곡선이 대학과정에서는 정말 중요하게 다뤄집니다. 그 곡선을 이해하는 것이 곧 발전기를 이해하는 데 중요한 이론이 되기 때문입니다. 그러나, 기사 시험에서는 히스테리시스 곡선의 면적에 대한 공식에 대해서만 나오므로 문제의 정답을 맞히는 것은 어렵지 않을 것입니다.

 

자성체의 5가지 구분

자성체는 크게 상자성체, 강자성체, 반자성체, 반강자성체, 페리 자성체로 구분할 수 있습니다. 이들 각각은 독특한 특성을 가지고 있어서 다양한 분야에서 활용되며, 각각의 세부적인 특징에 대해 더욱 상세하게 설명드리겠습니다.

첫 번째로, 상자성체(Ferromagnetic Materials)입니다.

상자성체는 모든 자성체 중에서 가장 강한 자기 힘을 가지고 있어서 자기장에 노출될 때 강한 자기화 현상을 보입니다. 이러한 특성은 주로 철, 니켈, 코발트 등의 금속에서 발견되며, 이런 금속들이 상자성체에 속합니다. 상자성체는 자기장에 노출되면 자기화되어 영구적인 자기화 상태를 유지할 수 있습니다. 이러한 특성 때문에 상자성체는 자기 재료로서의 용도가 매우 넓으며, 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.

두 번째로, 강자성체(Paramagnetic Materials)입니다.

강자성체는 상자성체보다는 약한 자기 힘을 가지고 있습니다. 이는 자기장에 노출될 때 약한 자기화 현상을 보이는데, 주로 알루미늄, 마그네슘 등의 금속이 이에 속합니다. 이러한 강자성체는 외부 자기장에 노출되면 일시적으로 자기화되지만, 자기장이 사라지면 자기화 현상 역시 사라지는 특징을 가지고 있습니다.

더 나아가 강자성체에서 나타나는 비선형성과 히스테리시스 곡선에 대해 설명해 드리겠습니다.

강자성체는 자기장에 노출되면 자기화되는 특성을 가지고 있습니다. 그러나 자기장의 강도에 따라 자기화 정도가 선형적으로 변하는 것이 아니라, 비선형적인 특성을 보입니다. 이는 강자성체 내부의 자기 구조와 성질에 기인한 것입니다.

강자성체의 자기화 특성을 시각적으로 나타낸 것이 히스테리시스 곡선입니다. 히스테리시스 곡선은 외부 자기장의 강도에 따라 강자성체의 자기화 정도를 나타낸 그래프로, 자기장의 강도에 따라 자기화되는 자기화률(Magnetization)을 표시합니다.

히스테리시스 곡선은 일종의 루프 형태를 가지고 있으며, 외부 자기장의 강도가 증가하면 강자성체의 자기화 정도도 증가합니다. 그러나 외부 자기장의 강도를 감소시켜도 강자성체의 자기화는 완전히 사라지지 않고, 일정한 자기화 정도를 유지합니다. 이것이 히스테리시스 곡선의 특징 중 하나인 잔류 자기화(Magnetic Remanence)입니다.

또한, 히스테리시스 곡선은 외부 자기장의 강도가 변화할 때 강자성체의 자기화 정도가 일정한 경로로 이동하는데, 이 경로는 이력성(Reproducibility)을 가지고 있습니다. 즉, 외부 자기장의 강도가 증가하는 경우와 감소하는 경우에 따라 다른 경로를 따라 이동하며, 이전의 자기화 경로를 따라가지 않습니다. 이러한 특성을 히스테리시스 효과(Hysteresis Effect)라고 합니다.

히스테리시스 곡선은 강자성체의 자기화 특성을 이해하는 데 매우 중요한 정보를 제공합니다. 이를 통해 강자성체의 자기화 정도와 외부 자기장의 강도 사이의 관계를 파악하고, 다양한 응용 분야에서 자기 재료의 선택과 설계에 활용할 수 있습니다.

세 번째로, 반자성체(Diamagnetic Materials)입니다.

반자성체는 자기장에 노출될 때 약한 반대 방향의 자기화 현상을 보입니다. 이는 주로 구리, 실버 등의 금속에서 발견되며, 이러한 금속들이 반자성체에 속합니다. 반자성체는 외부 자기장에 노출되면 자기장에 의해 약간의 반발력을 나타내는 특징을 가지고 있습니다.

네 번째로, 반강자성체(Ferrimagnetic Materials)입니다.

반강자성체는 상자성체와 강자성체의 특징을 혼합한 자성체로, 자기장에 노출될 때 강한 자기화 현상을 보입니다. 이는 주로 페리트(Ferrite)와 같은 화합물에서 발견되며, 이러한 화합물이 반강자성체에 속합니다. 반강자성체는 상자성체와 비슷한 영구 자기화 특성을 가지지만, 상자성체보다는 약한 자기 힘을 가집니다.

마지막으로, 페리 자성체(Ferrite Materials)입니다.

페리 자성체는 반강자성체와 매우 유사한 특성을 가지며, 특히 전자기기에서 널리 사용됩니다. 이는 주로 철산과 산화망간 등의 화합물로 구성되며, 이러한 화합물이 페리 자성체에 속합니다.

페리 자성체는 자기장에 의해 자기화되고, 자기장이 사라지면 자기화 상태도 사라지는 특징을 가지고 있습니다. 이러한 특성으로 인해 페리 자성체는 전자기기에서 트랜스포머, 인덕터, 필터 등의 부품으로 널리 사용됩니다.

이렇게 다양한 자성체는 각각의 특성과 특징을 가지고 있어서 다양한 분야에서 활용됩니다. 상자성체는 강한 자기 힘을 가지고 영구적인 자기화 상태를 유지할 수 있어서 자석, 전자기기, 자기 저장 장치 등에 사용됩니다. 강자성체는 약한 자기 힘을 가지고 일시적인 자기화를 보여주어 전자기기의 솔레노이드, 스피커 등에 사용됩니다. 반자성체는 약한 반대 방향의 자기화를 보여주어 전자기기의 방어 장치, 자성 분리 등에 사용됩니다. 반강자성체는 상자성체와 강자성체의 특징을 혼합한 자성체로, 전자기기의 변압기, 코어 등에 사용됩니다. 마지막으로, 페리 자성체는 전자기기의 트랜스포머, 인덕터, 필터 등에 널리 사용되며, 특히 전자기기의 고주파 부품으로 많이 활용됩니다.

 

자기회로와 전기회로의 비교

전기회로와 자기회로에 대해 비교하면서 간단하게 설명해 드리겠습니다. 전기회로와 자기회로는 둘 다 에너지를 제어하고 전달하는 방법으로 사용되지만, 그 구성 요소와 동작 원리에서는 명확한 차이를 보입니다.

전기회로는 전기적인 에너지를 흐르게 하는 구조를 가지고 있습니다. 이는 전류를 통해 전자가 흐르는 경로를 생성하는 역할을 합니다. 전기회로에서는 전압, 전류, 저항 등의 요소를 이용하여 전류의 흐름을 조절하고 제어하며, 이를 통해 필요한 에너지의 양을 정확하게 제공할 수 있습니다.

전기회로의 특징 중 하나는 오옴의 법칙을 이용하여 전압과 전류의 관계를 설명할 수 있다는 점입니다. 오옴의 법칙에 따르면, 전압은 전류에 저항을 곱한 값으로 표현됩니다. 또한, 전기회로에서는 전류가 흐르는 과정에서 에너지가 소비되며, 이는 전력으로 나타낼 수 있습니다. 전력은 전압과 전류의 곱으로 계산됩니다. 마지막으로, 저항은 전류의 흐름을 제한하는 역할을 합니다. 이를 통해 저항 값을 조절하면 전류의 크기를 제어할 수 있습니다.

반면에 자기회로는 자기장을 이용하여 에너지를 전달하고 제어하는 회로입니다. 자기회로에서는 자기장의 강도와 방향을 이용하여 자기 플럭스를 생성하고 제어합니다. 자기 플럭스는 자기 회로의 동작을 결정하는 핵심 요소입니다.

자기회로의 특징 중 하나는 자기 플럭스와 전류의 관계입니다. 자기 플럭스의 변화는 전류를 유도하고, 전류의 변화는 자기장을 생성합니다. 이런 상호작용을 이용하여 자기 회로를 설계하고 동작시킬 수 있습니다. 또한, 자기회로에서는 자기 에너지를 저장하고 전달하는 역할을 합니다. 자기장을 생성하고 저장함으로써 필요한 시점에 에너지를 방출할 수 있습니다.

요약하자면, 전기회로는 전압, 전류, 저항 등을 이용하여 전류를 제어하고 에너지를 전달하는데 초점을 맞추고 있습니다. 반면에 자기회로는 자기장과 자기 플럭스를 이용하여 전자기기의 동작을 제어하고 자기 에너지를 저장하는데 초점을 맞추고 있습니다. 이러한 차이를 이해하면 전기회로와 자기회로의 특성과 동작 원리를 더욱 명확하게 이해하실 수 있을 것입니다.