연세대학교 물리학실험실(Yonsei Phylab)

2-4D. 전류도선 및 직류전동기
(EMF on a Wire & DC Motor)

(Last Updated 2010/8/26)

1. 이론

(1) 전류도선에 작용하는 힘

자유전하들은 자기장을 가로지를 때 힘을 받는다. 이러한 일은 자유전하들이 진공중에서 빔의 형태로있든 구리 도선 내를 흐르는 일상적인 전류 형태로 있든 상관없이 일어난다. 자유전하가 도체 내부에서만 움직이도록 제한되면 전하들은 평균적인 힘을 도체에 가한다.

도선을 따라 흐르는 전류는 이동하는 전하운반자의 흐름이라는 관점에서 보면 길이 ℓ인 작은 도선 선분에는 부피 Aℓ과 단위부피당 이동전하의 수 η의 곱으로 주어지는 Aℓη 개의 총 전하운반자가 들어있다.

[그림1] 전류도선에 작용하는 힘

B장을 유동속력 v_d로 움직이면 이러한 모든전하들의 알짜 힘

F_M=(q_ev_dB sinθ)(Aℓη)

를 받는다. 그러나 전류는 I = ηv_dAq_e 이므로 전류가 흐르는 도선에 작용하는 자기력은

F_M= IℓB sinθ

이고 힘의 방향은 v x B 의 방향으로 주어진다.

(2) 직류 전동기 (DC Motor)

[그림2] 간단한 전동기 (Hecht 'Physics' 790p)

[그림2]와 같이 고정된 자석에의한 자기장, B 내에서 회전할 수 있도록 지지되어 있는 전자석, 즉 전동자(armature)에 전류를 흐르게하면 코일은 회전하여 자기장에 정렬(그림c)된다. 회전하던 코일은 관성을 가지고 있으므로 이 지점을 약간 지나친다. 이때 재빨리 코일에 흐르는 전류의 방향을 바꿔주면 전자석은 (그림d) 와같이 극성이 바뀌고 코일은 수평이 될 때까지 힘차게 회전할 것이다.

[그림3] 전동기의 구조

(그림f)가 되는 순간 다시 전류의 방향을 바꿔주면 다시 극성이 바뀌고 전동자는 처음상태로 되돌아가므로 주기적인 전류의 반전이 계속되는 한 전동자는 회전운동을 지속적으로 유지하게 될 것이다.

주기적인 전류의 반전은 전동자가 180° 회전할 때마다 자동으로 이루어지도록 두쪽의 반원형 고리모양의 정류자(commutator)라는 것을 이용하는데 2개의 금속판 양쪽에서 각각 코일의 양단자에 연결을 유지하도록 접촉한다. 상업용 모터에서는 이 역할을 스프링으로 밀착시킨 탄소막대가 하게되는데 이를 브러쉬(brush)라고 한다. 브러쉬가 두 반원형고리 사이의 간격을 지나면서 접촉하고 있는 고리를 바꾸면 전동자를 흐르는 전류의 방향이 전환된다. 이러한 연속적인 회전장치는 전차나 자동차 시동모터 등 회전에 관계되는 모든 분야에 널리 이용되며 직류(DC)전동기의 기초가 된다.

2. 실험기구 및 장치

(1) 직선도선 키트(도체레일판, 말굽자석, 전류막대)
(2) DC전동기 데모키트(자석, 전류도선베이스, 전동기 2종 포함)
(3) DC전원장치(15V-7A)
(4) 리드선 2개

3. 실험방법

[그림4] 자기장내에서 전류도선과 모터코일에 작용하는 힘

(1) [전류도선] 위의 [그림2] 좌측과 같이 두개의 평행한 도체레일의 좌측단자에 전원장치를 연결해주고 말굽자석을 'ㄷ모양'으로 세워놓고 전류도선 막대를 두레일 위에 수직으로 올려놓는다.

(2) 전원을 켜고 전압(6V정도)과 전류 다이얼을 올리면 전류도선 막대에 전류가 흐르고 자기장내에서 힘을받아 두레일 위를 굴러갈 것이다. 접촉불량에 의해 잘 움직이지 않을 경우, 사포로 평행한 두개의 레일 위를 부드럽게 문질러주어 접촉저항을 줄여준다. 자기장(B) 과 전류(i)의 방향을 고려할때 전류도선에 작용하는 자기력의 방향은 이론식에 잘 일치하는가?

(3) [DC전동기] 먼저 기본전동기의 양극에 직류전원 장치로부터 단자를 연결하고 DC6V 정도로 조정한다. 회전축 정류자에 양측의 브러시가 잘 접촉하도록 엄지와 검지로 부드럽게 잡아준다. 잘 회전하지 않을 경우, 브러시 부분을 사포로 문질러주거나(정류자의 접촉 부분이 잘 마모되어 접촉불량) 전류를 조금더 증가시키거나 잘 회전하도록 건드려준다. 코일이 감긴 방향을 관찰하고 전류방향과 자기장의방향을 고려하여 발생하는 회전이 이론에 맞는가를 확인하다. 또 정류자와 브러시의 열할이 지속적인 회전을 일으킬 수 있는지 관찰하고 토의한다.
[주의] 브러시가 부러지기 쉬우므로 주의.

(4) 2극 전동기 모형에 대해서도 위와같이 실험을 반복하고 기본전동기와 어떤차이가 있는지 알아본다. 코일의 감긴 방향과 전류, 자기장의 방향을 잘 관찰하여 어떤 방법으로 회전이 일어나는지 서로 토의해보자.

[참고]

전원장치로부터 전원이 공급될 때, 직선도선 회로나 모터코일에는 거의 저항성분이 없으므로 회로는 쇼트상태와 같다.(이론적으로 전류는 무한대이며 만약 일반 220V 전기기기의 경우 불꽃이 튀고 불이나야함) 그러나 저항이 거의없는 코일 등, 많은 전류공급을 필요로하는 물리실험에 맞게 전원장치는 내부에 부하저항이 내장되어 있어서 쇼트상태에서도 최대 7A 정도 까지 전류를 공급하도록 제작되어 있다.