이곳은 우리 생활 주변에 자기학(Magnetism)의 원리를 응용한 제품들을
소개하고 원리를 간단하게 설명합니다.
- MagLAB -
1. 인두기 (solding gun)
아래 그림은 간단한 변압기(transformer)의 그림이다. 연철(soft iron)로된 공통 철심(iron
core)에 두 개의 코일이 감겨 있는데 입력측을 1 차코일(primary coil) 출력측을 2 차 코일
(secondary cail)이라한다. 철심(iron core)의 주 기능은 한쪽 코일을 통과하는 자속의 대부
분이 다른쪽 코일을 통과하도록 자기장의 방향을 유도하는 것이다.
이때 변압기의 손실은 철심의 맴돌이 전류(eddy current), 1차 와 2차 코일의 작은 저항 때
문에 발생하는 
손실, 철심내의 자기이력 손실 등이 있다.
변압기에 관련된 다음과 같은 공식은 널리 알려저 있다. (물론 많은 근사와 가정에 의하여
단순화 된 식이다.)
위의 식을 보면 입력 전력(power)과 출력 전력은 동일하며, (물론 많은 가정과 근사식에 의
한 것이고 실제는 효율이 90에서 95% 정도이다.) 입력 전압대 출력 전압의 비는 1차측과 2
차측에 권선된 코일의 권선수에 의하여 결정된다.
만일 1차 측 코일의 권선수를 많게하고, 2 차측의 권선수를 1 로 했을 경우 어떻게 될까 ?
2차측의 코일에 흐르는 전류가 매우 높아 상당한 열이 발생하여 주변에 종이나 플라스틱이
있으면 100% 화재가 날 것이다. 그런데 이러한 one turn transformer의 원리를 이용한 제품
이 있다. 아래 사진에서 보는 인두 (soldering gun)이다.
2 차측에 한 바퀴 권선된
형태로 된 도체 파이프
철심 
1 차측에 권선된 코일
1 차측에는 많은 권선수의 에나멜 동선이 있고, 2 차측에는 1 회 권선한 도체 파이프( 많은
전류가 흘러 발생하는 열을 견디게 하기 위함)를 확인 수 있다. 그리고, 중간에 링 형태로 된
첨실을 볼 수 있다. 이것이 15년 전쯤에 많이 사용하던 권총형 인두기 인데 이곳에 바로 자
기학(Magnetism)의 원리가 적용된 적용된 것이다.
2. 플로피 디스켓 드라이버의 헤드
Faraday의 induction law에 의하면 환형 도선을 통과하는 자속(magnetic flux)이 시간에
따라 변화하면 이에 비례하는 기전력이 발생한다.
즉 위의 그림과 같은 환형 도선에 막대 자석을 넣었다 뺏다 하면 자속(magnetic flux)이 변화
하고, 이 변화율에 비례하는 기전력이 발생한다. 이를 수식으로 표현하면 다음과 같이 나타낼
수 있다.
또한 아래 그림과 같이 환형 도선에 전류를 흘리면 도선에서는 magnetic flux가 발생하게 된다.
이와같은 내용은 1820년에 Biot와 Savart에 의하여 실험적으로 발견되었다. (엄밀하게 말하면
Biot Savart는 직선도선에 전류를 인가하여 도선 주변에 자기장이 발생하는 것을 실험하였다.)
i
플로피 디스크의 자기헤드는 바로 위와 같은 자기학의 기본 원리를 사용한다. 즉 플로피
디스크에 저장된 자기 정보는 Faraday의 induction law에 의하여 검출되며, 플로피 디스켓에
정보를 저장하거나 포맷을 할 경우 Biot Savart가 실험 했던 것 처럼 코일에 전류를 인가하는
방법을 사용한다.
검출코일 소거코일
차폐용 판재
위의 그림과 같이 플로피 디스크의 헤드는 정보를 기록하기 위하여 권선된 코일과 정보를
검출하기 이하여 권선된 검출 코일과 외부 노이즈 차폐를 위한 차폐 판으로 구성되어 있으며,
이 또한 자기학(Magnetism)의 원리가 그대로 적용된 예이다.
3. 닷트 프린터(dot printer)
전하 q 가 속도 V 로 움직일 때 형성되는 자속밀도(Magnetis flux density)는
다음과 같이 주어진다.
즉 움직이는 전하가 자기장의 원천임을 알 수있다.
위의 식에서 는 
투자율(permeability)로 진공에서는
이다.
만일 도선을 원형으로 권선하고 전류(전류는 움직이는 전하이다.)를 흘려주면 역시 자속
(magnetic flux)이발생한다.
만일 위의 코일에 다음 그림과 같이 철심(iron core)를 삽입한다면 생성되는 자속(magnetic -
flux)은 증가할 것이다. 이것은 공기의 투자율
보다 철심(iron core)의 투자율
가 상대적
으로 더 크기 때문이다.
이와 같은 구성에 자성체(ex. 철)을 같다 대면 힘을 받아 붙게 된다. 이것이 전자석의 원리이다.
이러한 원리를 이용한 생활속의 기기 중에 닷트 프린터가 있다.. 아래 그림은 닷트 프린터의 원리를
설명한 것이다.
코일에 전류가 인가되지 않으면 핀은 스프링에 의하여 먹지 위에 있게된다. 만일 코일에
전류를 인가하면 발생한 자속(magnetic flux)에 의하여 헤머는 아래로 당겨지며 이 힘으로
인하여 핀은 먹지 테입을 치게된다. 그러면 그 아래 있는 용지에 점이 찍히게 된다.
헤머 들 윗 덥게
코일 핀 과 스프링
닷트 프린터의 헤드는 위의 사진과 같이 그림에서 설명한 구조를 병렬로 구성하고 원하는 문자
및 그림이 프린터 되도록 코일에 전류를 공급하는 형태로 되어있는데 이곳에 바로
자기학(Magnetism)의 원리가 적용된 것이다.
4. 레이저프린터
철가루에 영구자석을 접근 시키면 자석에 철 가루가 붙게되는 간단한 원리가 레이저 프린터의
작동 원리중 하나이다.
레이저 프린터의 핵심에는 광 반도체라 불리우는 물질로 구성된 감광드럼, 마그네틱 로울러,
레이저다이오드, 미러(mirror), 히팅 로울러로 구성되어 있다. 마이너스 하전입자, 자성입자,
카본이 에폭시레진에 몰딩 되어있는 것이 레이저 프린터의 토너이다.
아래 그림은 레이저 프린터의 간단한 구조이다.
위의 그림에서 a는 레이저 다이오드, b는 히팅로울러, c는 감광드럼, d는 토너, e는 미러,
f는 마그네틱 로울러 이다.
레이저 프린터의 작동원리를 살펴보면 회전 미러(mirror)에 레이저광이 입사되면 광이
반사되어 감광드럼에 도달한다. 감광드럼에서 빛을 받은 부분은 + 로 대전되고 그렇지 않은
부분은 - 로되어 있다. 이때 많은 레이저광을 받은 부분은 보다 많은 + 로 대전된다.
한편 아주 균일하게 자화 되어있는 마그네틱 로울러( 레이저 프린터에 위치하지 않고,
토너 박스에 위치한다.)는 자성입자를 함유한 토너를 균일한 두께로 붙여서 회전을 하다가
감광드럼과 근접하게 만나는 부분에서는 토너내의 - 하전입자가 감광드럼의 + 로 대전된 부분에
붙게 되어 글씨나 그림이 감광드럼에 묻어있게되고, 이것이 회전하면서 종이에 묻게된다. 이때는
아직 히팅 로울러를 통과하지 않은 상태이
이다. 이때 손으로 만지게 되면 토너가 번지게 되는 것을 경험한 적이 있을 것이다. 이렇게 번지는
것을 막기 위하여 프린터 된 종이를 히팅 로울러에 통과 시키게 되는데 이때 에폭시레진이 녹아
종이에 토너가 붙어 있도록 한다. (만일 열이 있는 막대기로 레이저 프린팅된 그림위에 문지르면
에폭시 레진이 다시녹아 그림이 번지는 것을 확인 할 수 있다.) 아래 사진은 레이저프린터의 토너
박스에 있는 마그네틱 로울러이다.
토너박스
마그네틱 로울러
위에서 살펴본 바와 같이 레이저 프린터에도 자기학(Magnetism)의 원리가 이용되고 있다.
4. 음극선관 (CRT)
일정한 자기장이 형성된 공간에 전자가 속도 V 로 움직이게 되면 힘을 받게 되는데 이 힘은
전하량 q 에 비례하고 또한 입사 속도에 비례한다. 힘의 방향은 자기장의 방향과 속도의방향에
수직하게 된다.
만약 속도의 방향 벡터와 자기장의 방향이 평행이거나 반평행 이 되면 힘은 zero가 된다.
이것이 바로 자기학(Magnetism)에서 배우게되는 "자기장에 의한 힘"이고 이러한 물리적
성질을 설명하는 식은 다음과 같다.
여기서, F는 자기장에 의한 힘, q는 전하량, v는 입사속도, B는 자기장 밀도이다.
즉 다음 그림과 같이 자기장 발생용 코일에 전류를 인가하고, 여기에 전자를 속도 v로 입사
시키면 전자는 그림과 같이 진로가 휘게 된다.
이러한 용도로 사용되는 코일을 편향코일(deflection coil)이라 부르고, 전자총에서 가속된
전자를 새도우마스크(스크린)에 뿌리게하는 역할을 한다. 이러한 CRT는 비디오폰, 텔레비전,
컴퓨터모니터, 오실로스코프 등 일상생활에서 흔히 볼수 있는 것이다. 아래 사진에서 자세한
구조를 확인할 수있다.
플리스틱 자석은 미세한 색차를 보정하기 위한 것으로 이 자석을 돌려가면서 색차를
보정한다. 편향 요크는 자속(magnetic flux)이 집중화될 수 있도록 하고, 편향코일은
수직과 수평 두 종류가 있다. 생활속에서 흔하게 볼 수 있는 모니터의 구성 중 가장
중요한 부분에 자기학(Magnetism)의 원리가 숨어있음을 알 수 있다.
4. 누전차단기
아래 그림과 같이 load 저항이 연결되어 있는 코일과, 전류를 인가할 수 있는코일이 자성체
코아에 권선되어 있는 경우를 생각해보자.
코일에 교류 전류를 인가하면 자속(magnetic flud)이 발생하고, 발생한 자속 (magnetic flux)은
자성체 코아를 통하여 load 저항이 삽입되어 있는 코일로 유도되어 load 저항 양단에는 potential
difference가 야기된다. 이러한 과정의 기본원리는 바로 Faraday's Induction law이다.
누전차단기(leakage break)는 바로 이러한 원리가 적용되어 있다. 아래 그림은 누전차단기의
간단한 원리를 나타내는 것이다.
누전차단기의 작동은 다음과 같다. 누전(leakage)이 없을 경우에는 자성체 코아를 통과하는
교류전류 a, b의 량이 방향은 반대이면서 같기 때문에 전류 a, b 에 의해서 발생되는 자속
(magnetic flux)은 서로 상쇄되어 발생 되는 기전력은 "zero"가 된다. 그러나 누전이 발생하면
입력전류 a 와 출력전류 b의 량에 차이가 나고, 자성체 코아를 통과하는 총 전류의 량은 a-b
가 된다. 결국 이 전류는 유도기전력을 발생시키고, 이렇게 발생된 유도기전력은 릴레이 구동
회로를 작동시켜 입력 전원 스위치를 차단 시키는 릴레이가 구동되어 입력 전류가 차단한다.
아래 사진은 바로 이러한 Faraday의 유도법칙이 적용된 누전 차단기이다.
위와 같이 누전 차단기에도 자기학의 원리가 숨어있다.
생활속의 자기학(Magnetism)은 계속 됩니다.