연세대학교 물리학실험실(Yonsei Phylab)

2-6D1. 자기제동1 (그네형)
(Magnetic Damping1)

(Last Updated 2010/9/13)

1. 이론

렌츠의 법칙은 유도전류 및 유도기전력의 방향을 결정하는 편리한 대체방법이며 독립적이 원리는 아니다. 즉, 이것은 패러데이 법칙으로부터 유도될 수 있다. 또한 패러데이 법칙과 연관시켜 도입한 부호규칙과 항상 같은 결과를 주기는 하지만 때때로 사용하기가 훨씬 쉽고 여러 유도효과와 에너지 보존법칙의 역할을 직관적으로 이해하는데 도움이 되기도 한다. 렌츠(H. F. E. Lenz, 1809~1865)는 패러데이와 헨리가 발견한 것들을 독립적으로 연구한 독일의 과학자였다. 렌츠의 법칙(Lentz's Law)은 다음과 같다.

'어떠한 자기유도 효과의 방향은 그것을 만드는 원인을 방해하도록 일어난다.'

이 '원인'은 변화하는 자기장에 의하여 정지회로를 통과하는 자속의 변화이거나, 회로를 구성하는 도체의 운동에 의한 자기선속의 변화 또는 이들의 결합일 수 있다. 렌츠법칙의 예로써 자기장내에서 도체가 움직일 때 유도전류들은 도체내에서 잘 정의된 경로들에 한정되고 다른 요소들은 회로를 형성한다. 전기장치들의 많은 부분은 금속들이 자기장 내에서 움직이거나 변화하는 자기장 내에 놓여있는데 이 경우 금속 내부를 통하여 순환하는 유도전류들을 얻을 수 있다. 이것들은 빙빙도는 소용돌이와 비슷한 패턴을 갖고 있기 때문에 우리는 '소용돌이 전류' (eddy current)라고 부른다.

또한 강자성(ferromagnetism)이 아닌 반자성(diamagnetism) 과 상자성(paramagnetism)의 차이를 간단한 실험을 통해서 알아볼 것이다. 반자성 물질은 강력한 자기장 내에 놓일 때 물질은 자기장에 의해 척력이 작용하는 것을 볼 수 있다. 반면, 강력한 자기장 내에 놓인 상자성 물질은 뚜렷하게 자기장에 끌릴 것이다.

[참고] Ch29.6, 1011p, University Physics 12th ed. by Young & Freedman.

[그림1] 자기제동 부품

[그림2] 자기제동 셋업

2. 실험기구

1) 간격조절용 자석(variable gap magnet)
2) 알루미늄 패들(3종; solid, closed, open slotted)
3) 상단지지대(mounting rod)
4) 테이블클램프(또는 A베이스) 및 지지막대(30cm)
5) 원통형 시료(직경=5mm, 길이=약20mm) 2개(알루미늄, 유리) 및 실

3. 실험방법

2-1. 자기제동

(1) 위 [그림2]와 같이 테이블클램프를 테이블 끝에 고정하고 (또는 A베이스 사용) 지지막대(약30cm)를 세우고 상단지지대를 고정한다.

(2) 상단지지대 끝, 홈에 '평판 패들(solid paddle)'을 걸어놓고 약 90도 정도 되도록 각도를 주어 흔들어 주어 잘 흔들리는가를 확인한다.

(3) 다음. 자석을 간격이 약 2~3cm 정도 되도록 조절하여 패들이 자석의 중앙에 수직으로 위치하도록 놓고 패들을 다시 흔들어 준다. 이때 패들의 흔들림에는 어떤 변화가 있는가?

(4) 닫힌 패들(closed slotted paddle), 열린 패들(open slotted paddle)에 대해서도 교체해가며 흔들림을 관찰해보고 왜 이런 자기적 제동의 차이가 일어나는지 서로 토의해보자.

2-2. 반자성체와 상자성체

(1) 유리막대 와 알루미늄 막대 중앙을 가는 실로 묶고 실에 매달았을 때 수평이 되는가를 확이하고 실의 미끄러짐을 방지하기위해 작은 투명테이프를 하단에 붙여준다. 또 상대지지대의 홈에 걸기 위해 시료로부터 약12cm 정도 끝에 둥근 고리모양의 실 매듭을 만들놓는다. (이 과정은 이미 되어있을 수 있다)

(2) 유리막대(diamagnetic)를 상대지지대의 홈에 걸고 시료가 자석의 중앙에서 수평을 유지하도록 조정한다. (중심을 잡고 하단에 붙여진 테이프가 가급적 떨어지지 않도록 실의 유격을 잘 조정)

(3) 회전이 정지되도록 평형을 잘 잡아주고 충분히 평형상태가 되었을 때 유리시료의 위치는 자기장에 대하여 어떤 정렬을 보이는가? 또 시료를 중심으로 자석을 돌려보자. 시료는 어떠한가? 자기장과는 전혀 무관한 것으로 여겨졌던 유리시료의 자기장내 정렬을 통해 얻을 수 있는 물리적 해석은 무엇인가?

(4) 알루미늄막대(paramagnetic)에 대해서도 위의 과정을 반복하고 자기장내 정렬상태를 관찰해보자. 반자성과 상자성에 대해 알아보고 이러한 현상들을 서로 토의해보자.