위키원
패러데이 법칙
패러데이 법칙(Faraday's law )은 영국 국민으로부터 가장 존경받는 물리학자 마이클 패러데이에 의해 1833년 발견한 전기분해 법칙과 1831년에 발견한 전자기유도 법칙이 이에 해당한다. 오늘날 다양한 곳에서 쓰이는 생활 속에서 없어서는 안 될 위대한 원리다. 전기분해 법칙에 의해 물질의 원자 구조와 관련해서 전기량에도 최소 단위(기본 전하량)가 존재한다는 것이 처음으로 예측되었고, 전자기유도 법칙은 전자기유도가 일어나는 방식을 밝혀냈다.
전기분해 법칙
전기분해를 하는 동안 전극에 흐르는 전하량(전류×시간)과 전기분해로 인해 생긴 화학변화의 양 사이의 정량적인 관계를 나타내는 법칙이다. 1833년 패러데이가 논문을 발표하였으며, 전기화학의 가장 기본적인 법칙이다.
- 제1법칙 : 전해질용액을 전기분해할 때 전극에서 석출되는 물질의 질량은 그 전극을 통과한 전자의 몰수에 비례한다. 즉, 전류가 더 많이 흐를수록 시간이 지날수록 석출되는 물질의 질량은 많아진다.
- 제2법칙 : 같은 전기량에 의해 석출되는 물질의 질량은 물질의 종류에 관계없이 각 물질의 화학 당량에 비례한다. 즉, 1그램당 량의 물질량을 전기분해하여 석출하는 데 필요한 전기량은 물질의 종류에 관계없이 96,485.3383C으로 항상 일정하다.
제1법칙에 의해 석출되는 물질의 양은 전류와 시간의 곱에 비례한다. 그리고 공급되는 전자가 전해질 속의 이온을 원자가 되게 하여 석출되므로, 석출되는 물질의 질량은 원자량에 비례한다. 또한 원자가가 곧 이온 한 개가 원자로 될 때 필요한 전자개수이므로, 석출되는 물질의 질량은 원자가에 반비례한다.
물질 1그램당 량을 전기분해로 얻는데 필요한 전하량, 곧 전자 1몰의 전하량을 패러데이 상수라고 한다. 보통 기호 F로 표시하며, F = 96,485.3383C/mol e⁻이다. 이 법칙에 의해 물질의 원자구조와 관련해서 전기량에도 최소 단위(기본 전하량)가 존재한다는 것이 처음으로 예측되었다. 즉, 1F은 전자의 기본전하량(1.602×10⁻¹⁹C/e⁻)과 아보가드로수(6.02×10²³ mol⁻¹)의 곱과 같다. 전하량 1C으로 석출되는 물질의 양은 은 1.118mg, 수소기체 0.010446mg이다. 1C의 전기량에 의해 석출되는 물질의 양을 그 물질의 전기화학당량이라 한다.
전자기 유도 법칙
패러데이 전자기 유도 법칙(Faraday, Faraday's law of electromagnetic induction)은 자기 선속의 변화가 기전력을 발생시킨다는 법칙이다. 1831년 영국의 물리학자 마이클 패러데이가 발견하였다. 맥스웰 방정식 중 하나이며, 패러데이 법칙에서 자기선속의 양자화가 유도되기도 한다. 전자기유도에 의해 회로 내에 유발되는 기전력의 크기는, 회로를 관통하는 자기력선속(磁氣力線束)의 시간적 변화율에 비례한다. 기전력의 방향을 정하는 렌츠의 법칙과 함께 전자기유도가 일어나는 방식을 나타낸다.
- 패러데이 법칙
물리학에서 전기장과 자기장의 상호간 유도현상을 설명하는 것이 패러데이 법칙으로, 임의의 폐회로에서 발생하는 유도 기전력의 크기는 폐회로를 통과하는 자기선속의 변화율과 같다는 것을 의미한다. 수학식으로는 다음과 같이 표현할 수 있다.
ΦB : 자기 선속, ℰ : 기전력
여기서 우변에 '−'가 붙은 이유는 렌츠의 법칙에 따라 전기 회로에서 발생하는 유도 기전력은 폐회로를 통과하는 자속의 변화를 방해하는 방향으로 발생하기 때문이다.
맥스웰-패러데이 방정식
맥스웰-패러데이 방정식은 네 가지 맥스웰 방정식의 한가지로 고전 전자기학에서 기초적인 역할을 한다. 적분의 형태로 표현하면 켈빈-스토크스의 정리에 의하여
식의 좌변이 말하는 것은 폐곡선 에서 극소길이 dl에 따라 전기장을 적분하면 우변에서와 같이 자기장을 시간에 따라 편미분한 값을 면적 dA에 대해 적분한 값의 음수값을 취한다.
- 원리
패러데이는 자석과 코일을 이용한 실험을 통해 신기한 현상을 발견했다. 금속 코일 속으로 자석을 넣거나 빼면 전기가 흐르는 모습이 관찰됐고, 자석을 더 빠르게 움직이거나 코일을 많이 감을수록 전기의 발생량이 증가했다. 이러한 현상을 ‘전자기 유도 현상’이라고 부르는데, 이러한 현상은 왜 발생하는 것일까?
전자기 유도 현상은 자기장으로 인해 발생한다. 자석은 고유의 자기력을 갖고 있기 때문에 N극과 S극 사이에 자기력이 존재하며, 위 그림처럼 여러 자기력선들이 형성되어 있고, 이러한 영역을 자기장이라고 부른다. 이때 자석이 코일 속으로 들어가면 자석의 자기력선들이 코일의 영역을 침범하게 되는데, 코일은 그 자체의 상태를 보존하려는 자연의 법칙을 지키기 위해 자신을 자석처럼 변화시켜 자기장의 침범을 막으려 한다. 이는 코일이 자기력에 대한 관성을 유지하려고 한다는 의미다. 코일을 향해 자석의 N극이 들어오면 코일 자신을 N극화 시켜서 막으려 하고, S극이 들어오면 자신을 S극화 시켜서 막으려 한다. 하지만 코일은 그 자체가 자석은 아니기 때문에 스스로 전류의 흐름을 만들어 자석과 같이 행동한다. 관성을 유지하기 위해 전류의 흐름을 만들어 내는 현상이 벌어지는 것이다.
그림과 같이 코일 위쪽에서 자석의 N극이 코일 쪽으로 접근하게 되면 코일 내부를 지나는 자기력선들이 증가(초록색 화살표) 하게 된다. 이때, 코일 내부에서는 전자기적 관성에 의해 코일 내부를 침범하는 자기력선의 증가를 방해하는 방향으로 자기력선이 생겨야 하므로(빨간색 화살표) 코일에는 전류가 B→Ⓖ→A를 지나는 방향으로 흐르게 된다. 전자기적 관성이 전원이 연결되지도 않은 코일에 전류를 흐르게 한 것이다.
이번에는 반대로 코일에 넣었던 자석의 N극을 코일에서 멀어지게 하면 코일 내부를 침범하는 자기력선이 감소하게 되고, 코일에는 자기력선이 감소하는 것을 막기 위해 A→Ⓖ→B로 전류를 흐르게 한다. 이는 앞의 사례와 반대로 이미 들어온 자석의 자기력선을 현재의 관성에 따라 지켜내려는 현상이다.
이러한 현상은 신기하면서도 놀랍다. 보통의 전류를 만드는 것은 건전지와 같은 배터리이다. 하지만 전자기 유도에서는 자석과 코일만 가지고도 전류를 만들 수 있다. 마치 무에서 유를 창조하는 것과 같은 경이로운 일이 아닐 수 없다.[1]
- 역사
전자기유도현상은 마이클 패러데이와 요셉 헨리가 1831년 독자적으로 발견하였지만, 패러데이가 그의 연구 결과로서 처음으로 출판하였다. 1831년 8월 29일 전자기 유도에 대한 패러데이의 첫 번째 실험적 증명에서 철제 고리(또는 토러스)를 두 개의 와이어로 반대 방향에 감았다. 발견된 전자석의 특성에 대한 그의 평에 근거하여 하나의 와이어에 전류가 흐를 때, 파동의 부분이 고리를 따라 반대편에 전달되어 약간의 전기적 효과를 일으킬 것이라 생각했다. 하나의 와이어를 검류계에 연결하고 다른 한 쪽을 배터리에 연결하였을 때 일어나는 변화를 관찰하였다. 패러데이는 와이어를 배터리에 연결할 때 와 떼어낼 때 과도전류(패러데이는 이것을 '전기 파동'이라 불렀다.)를 관측했다. 이 유도현상은 배터리가 연결되었다 분리될 때 발생하는 자기력선속의 변화 때문에 발생한 것이다. 두 달 후, 패러데이는 몇 가지 다른 전자기유도의 단서들을 찾았다. 예를 들면, 막대자석을 코일에 빠르게 통과시킬때 과도전류가 발생하는 것을 보았고 막대 자석 근처에서 회전하는 동판에 의해 교류가 발생하는 것이 있다. (패러데이의 디스크)
패러데이는 전자기 유도 현상을 그가 역선라고 부른 개념을 가지고 설명했다. 그러나 당시 과학자들은 그의 이론적 아이디어가 수학적으로 공식화되지 못했다며 이를 부정했다. 한 명의 예외가 있었다면 그것은 맥스웰이었다. 그는 패러데이의 생각을 자신의 양적 전자기학 이론의 근간으로 삼았다. 맥스웰의 논문에서, 전자기유도에 대한 관점을 다양하게 한 시기는 올리버 헤비사이드가 패러데이 법칙이라고 언급한 미분 방정식으로서 표현된다.(사실 이것은 패러데이 법칙의 원형 형식과 약간 다르고 운동 기전력을 설명하지 않는다) 헤비사이드가 수정한 것이 오늘날 맥스웰 방정식으로 알려진 방정식에서 패러데이 법칙을 나타낸다.
1834년에 하인리히 렌츠가 만든 렌츠의 법칙은 회로를 통과하는 전기력선속을 설명하고 유도기전력과 전자기유도현상으로 인한 전류의 방향을 제시한다.
응용사례
- 무선충전 : 충전 패드 위에 스마트폰을 올려두면 자동으로 충전되는 '무선 충전 기술'은 이제 우리에게 너무나 익숙한 기술이다. 충전을 위해 전원 단자를 꽂을 필요도 없고 충전 단자가 고장 나서 케이블을 교체해야 하는 수고도 덜어주는 편리한 기술이다. 이 최신 기술이 복잡하고 어려운 기술이라고 생각하기 쉽지만 사실은 그렇지 않다. 무선 충전 기술의 원리 자체는 꽤 간단하고 오래전에 발명된 것으로, 19세기 물리학자 패러데이가 발견한 '전자기유도 현상'이 이 원리를 설명할 수 있다.
- 발전기 : 발전기는 원자력/화력/수력 등 외부 에너지를 이용하여 코일을 회전시키는 방법으로 전자기 유도 현상을 이용한다. 코일을 회전시키면 코일면을 통과하는 자기력선이 시간에 따라 계속 변하게 되면서 유도 전류가 발생하는 원리다. 코일의 회전에 의해 발생한 전류는 브러시(Carbon Brushes)를 거쳐 송전으로 이어지게 하거나 배터리에 충전을 하게 된다.
- 교통카드 : 교통 카드에서도 전자기 유도가 이용된다. 단말기에서는 지속적으로 변하는 자기장을 만드는데, 교통 카드를 단말기에 가까이하면 교통 카드 속의 코일에 유도된 전류에 의해 메모리칩의 정보를 읽어 단말기로 보내 요금이 처리된다.
- 롤로코스트 브레이크 : 롤러코스터에 사용되는 브레이크는 마찰력을 사용하는 일반적인 자동차 브레이크와는 방식이 다르다. 비접촉식이라 마찰이 없기 때문에 이론적으로 소음도 없고, 브레이크 마모도 없다. 원리는 이렇다. 롤러코스터에 달린 금속 부분이 강한 자석 내부로 들어가면 금속에는 유도 기전력(유도 전압)이 생기고, 이때 소용돌이 전류(맴돌이 전류)가 흘러 자석의 이동을 방해한다. 롤러코스터가 자석 브레이크에 진입할 때는 척력이 발생해 속도가 느려지고, 자석 브레이크를 떠나려는 순간에는 인력이 발생하기 때문에 롤러코스터를 원하는 위치에 강하게 잡아둘 수 있어 속력이 빠르게 감소할 수 있다.
전자기 유도는 이외에도 마트의 도난 방지 장치, 금속 탐지기, 가정에서 쓰는 인덕션 레인지 등 활용 사례가 너무나도 많다.
패러데이 법칙은 전기와 자기의 상관관계를 찾아낸 이 시대 최고 수준의 발견이다. 항상 겸손한 자세로 자신의 연구 결과를 별것 아니라고 말해 왔던 패러데이지만 그가 오늘날의 현대 과학 기술 발전을 이루게 한 업적은 어느 누구도 부정할 수 없을 것이다. 그의 작은 날갯짓이 커다란 나비 효과가 되어 지금도 많은 사람들이 다양한 곳에서 편리함과 혜택을 누리고 있다.
각주
- ↑ 〈패러데이의 발견에 의해 가능해진 스마트폰 무선 충전?! ‘패러데이 전자기유도 법칙’ 알아보기〉, 《삼성디스플레이뉴스룸》, 2021-03-11
참고자료
- 〈패러데이 전자기 유도 법칙〉, 《위키백과》
- 〈패러데이의 법칙〉, 《두산백과》
- 〈패러데이의 전기분해 법칙〉, 《위키백과》
- 〈패러데이의 발견에 의해 가능해진 스마트폰 무선 충전?! ‘패러데이 전자기유도 법칙’ 알아보기〉, 《삼성디스플레이뉴스룸》, 2021-03-11
같이 보기
