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電磁石
1. 개요
전자석은 자석의 일종으로 전류가 흐르면 자기력을 가지고 전류가 흐르지 않으면 자기력을 가지지 않는 자성체로, 이 특성 때문에 자동문 등의 장치에 유용하게 쓰일 수 있다.만드는 방법 자체는 초등학생도 만들 수 있을 정도로 쉬운 데 반해[1][2] 이론은 헬이라는 것이 함정. 그 세기는 매우 강력하기 때문에 사람 여럿을 태우고 달려야 하는 자기부상열차 등 자석 좀 쓰는 거대한 물체의 근간을 이루고 있다고 해도 과언이 아니다.
말굽자석과 막대자석만 보다가 전자석이라는 걸 배우면 처음엔 전기입력에 따라 자석이 됐다가 안 됐다가 변하는 걸 신기해하지만, 사실 외부에서 전류를 흘려보내지 않는데도 스스로 항상 자기장을 가지고 있는 자석 쪽이 훨씬 더 특이한 물질이다. 아무리 이론이 어려워도 전자석의 원리는 고등학생만 되어도 이론적 이해가 가능하지만, 일반적인 영구자석을 포함하는 모든 자성체의 원리를 설명하려면 양자역학이 동원되어야 한다. 정확히는 전자스핀을 설명할 수 있어야 한다.
전자 회로를 이용하여 전자석을 제어할 때는 반드시 전원과 역방향으로 연결된 다이오드를 병렬로 연결시켜야 한다. 전자석이 인덕터의 일종이기도 한 만큼 전원을 끊는 순간 역기전력으로 인한 과전압이 발생하여 회로 소자들을 파괴할 수 있기 때문이다.
2. 원리
맥스웰 방정식의 4번 식인 맥스웰-앙페르 법칙은 적분식으로[math( \displaystyle \oint_{ \partial \Sigma} \mathbf{B} \cdot d \mathbf{l}= \mu_{0} \iint_{ \Sigma} \mathbf{J} \cdot d \mathbf{S}+ \mu_{0} \epsilon_{0}\frac{d}{dt} \iint_{ \Sigma} \mathbf{E} \cdot d \mathbf{S})]
로 표현되는데, 이때 변위전류 항인
[math(\displaystyle \mu_{0} \epsilon_{0}\frac{d}{dt} \iint_{ \Sigma} \mathbf{E} \cdot d \mathbf{S})]
를 고려하지 않으면 [3]
[math( \displaystyle \oint_{ \partial \Sigma} \mathbf{B} \cdot d \mathbf{l}= \mu_{0} \iint_{ \Sigma} \mathbf{J} \cdot d \mathbf{S} = \mu_0 I )]
가 된다.
즉 전류가 흐르면 자기장이 형성된다는 것을 알 수 있다.
전자석은 이렇게 전류의 흐름에 따라 형성되는 자기장을 사용하는 도구이다.
3. 종류
3.1. 솔레노이드
가장 간단한 형태. 원형의 철심을 코일로 둘러서 만든다.초등학교에서도 만들지만 힘이 좋지 않다. 철심이나 클립 몇 개 드는 정도다. 그마저도 못 들어 몇 개는 떨어지는 경우도 있긴 하다. 전자석은 직류에서는 단락 상태나 다름없기에 배터리의 과열을 막기 위해 저항[4]을 단다. 이 저항 때문에 전류가 약해져서 발생하는 문제로, 전류를 조절할 수 있는 CC 모드가 들어간 파워서플라이를 연결하면 못과 코일만으로도 은근히 강한 자석을 만들 수 있다.앞에서 언급된 맥스웰 방정식을 풀면 [math( \mathbf{B}= \mu_{0} n I )]가 되고[5] 따라서 n을 충분히 늘리면[6] 강력한 자기장을 얻을 수 있는 이점이 있어 자주 사용된다.
스프링과 솔레노이드를 결합하면 전자 피스톤을 만들 수도 있다. 평소에 스프링의 힘으로 한쪽으로 누르고 있다가, 전기를 흘려보내면 전자기력에 의해 스프링이 누르던 방향 반대편으로 움직이는 얼개로 된 것이 가장 흔한 방식이다. 전기 모터와 감속기어 등을 붙여 피스톤처럼 움직이는 전기식 구동장치에 비하면 힘은 약하지만, 구조가 간단하고 크기가 작으므로 일상용품이나 자동차 내부의 작은 기계장치 등 큰 힘이 필요치 않은 곳에 널리 쓰인다. 보통 이를 솔레노이드 작동기, 혹은 그냥 솔레노이드라 부른다.
이 솔레노이드 작동기를 응용하여 유체의 흐름 방향을 제어하는 밸브를 만들기도 하는데, 이를 특별히 솔레노이드 밸브라 부른다.
코일 가운데 철심을 넣는 대신 자성체로 된 탄자를 넣어 쏘아내면 코일건이 된다.
이걸 고리 모양으로 만든 것이 토로이드로 핵융합 장치 중 하나인 토카막을 만들 때 사용된다.
3.2. 초전도 전자석
초전도 전자석은 초전도 현상을 이용한 전자석으로, 초전도 상태에서 내부 저항은 0이고 옴의 법칙에 따라 전류는 무한에 가까운 것을 이용, 당연히 전류가 폭발적으로 치솟으니 자기장도 그만큼 세게 형성되는 것을 이용한 것이다. 또 자기 포화 상태[7]를 방지할 수도 있다. 다만 초전도 현상이 일어나야 저러한 장점을 사용할 수 있으므로, 초전도 상태를 유지해야 하며, 이 때문에 매우 낮은 온도에서 작동될 수밖에 없다. 이때 냉각제로서 액체 헬륨을 주로 사용한다.NMR, MRI등의 자기장을 이용한 측정 장비에 자주 사용되며, LHC도 초전도 자석을 이용하여 입자를 가두어 놓는다.
4. 실생활에서의 전자석
- 폐차장에서 차를 옮길 때 전자석을 사용해 옮긴다. 들어올릴 땐 전기를 내보내 자성을 띠게 만들어 차를 들어올리고, 차를 내릴 땐 전기를 꺼서 자성을 없애는 방식이다. 산업 현장에서도 일반적인 방법으로 옮길 시 휘어질 수 있는 철재를 옮길 때 사용한다.
- EM락(Electro Magnetic Lock)은 전자석의 인력으로 문을 고정시키는 잠금장치이다. 창문이나 작은 문에 사용되는 소형 EM락은 100kg, 출입문 잠금용은 보통 300~500kg 내외, 고강도 보안용은 최대 1.8톤의 힘을 가진다. 어마어마한 인력을 가짐에도 불구하고 소모 전력은 5~10W 정도로, LED 전구와 비슷한 수준이다.[8] 단점으로는 당연히 전자석이므로 정전시 잠금이 풀리며, 전자석과 철판 사이에 이물질이 들어가면 인력이 급격히 약해지는 점이 있다. 때문에 평시에는 출입이 통제되나 비상시 문이 개방되어야 하는 출입구에 주로 사용된다. 일반 도어락처럼 전원 차단시에도 잠금상태가 유지되어야 하는 경우 UPS를 같이 쓰며, 드물게 영전자석을 사용하는 경우도 있다.
- 계전기는 전자석을 이용해 자동으로 스위치를 껐다 켜는 기기이다.
- 자기부상열차도 전자석을 이용한다.
- 자동차의 교류발전기에도 사용된다. 일반적인 영구자석 발전기는 RPM이 높아지면 출력 전압도 비례해 높아져 과전압 문제를 일으킬 수 있지만, 전자석을 사용하면 RPM에 따라 자력을 조절하여 과전압을 막을 수 있다.
- 전자석과 반대로 전류가 흐르지 않을 때만 자성을 띠고 전류가 흐를 때는 자성이 없어지는 영전자석과 전류를 공급하는 방식에 따라 자성을 띨지 안띨지를 정할수있고 전류가 공급되지 않아도 유지되는 전기 영구 자석 (Electropermanent magnet) 도 존재한다.
5. 창작물에서의 전자석
- 영화 《007 두 번 산다》에서 타이거 타나카가 보낸 헬기가 전자석을 이용해 제임스 본드와 아키를 총격하며 뒤쫓는 오사토 화학의 토요타 크라운을 도로상에서 낚아채 바다에 빠뜨려 버린다.
- 영화 《할로우맨》에선 투명인간이 된 세바스찬이 여주인공을 냉동창고에 가두자 여주인공은 잠시 포기하지만 이윽고 안에 있던 제세동기를 개조해 전자석으로 만들어 문 밖의 잠금장치를 자성으로 밀어서 열어 탈출하는 장면이 나온다.
- 영화 《아이언맨》의 아크 리액터는 사고로 심장 부근에 금속 파편이 박힌 주인공이, 파편이 심장 안으로 끌려 들어가는 것을 막는 전자석[9]이 자동차 배터리로 전력을 공급받아서 수명이 일주일에 불과하다는 점을 해결하기 위해 안정적인 전원이 될 수 있게 만든 발전기이다. 실제로 작중 아크 리액터를 교체하는 장면을 보면 밑에 전자석이 딸려 있는 것을 볼 수 있다.
- 만화 마녀에게 바치는 트릭에서 이단심문관 집단 '철퇴' 소속 사제인 발레리가 투기장 뒷편 전체에 설치된 전자석을 활용해 수많은 나이프를 조작해 공격에 활용했다. 하지만, 미래인이자 주인공인 마키토에게 트릭을 간파당하고, 이를 역으로 이용당해[10], 2년동안 이용해온 헬가에게 격파당한다.
- 그림책 《자살토끼》에서 토끼가 자살하는 방법 중에는, 칼 가게와 전자석 가게의 사이에 토끼가 서있는 것이 있었다.
- 《커맨드 앤 컨커 레드얼럿2 유리의 복수》의 유닛 마그네트론은 전자석 코일을 이용한 자기력 빔을 차량을 공중부양시키고 건물을 파괴하는 데 사용한다.
- 포켓몬스터 시리즈의 코일 계열은 전자석을 모티브로 했다.
[1] 실제로 초등학교 6학년 2학기 과학 교과서 1단원에 만드는 방법과 원리가 간략하게나마 설명되어 있다. 간단히 실험까지 해서 직접 전자석을 만들 정도이다.[2] 전자레인지에 들어있는 트랜스포머 즉 EI코어의 I부분을 제거하고 E 코어만 사용한다면 3A전류만 흘려보내도 약 170kg 이상을 버티는 전자석을 만들 수 있다. 다음 참고[3] 즉 시간에 따라 전기장이 변하지 않으면. 직류같은 경우 전류는 흘러도 주변의 전기장은 변하지 않을 수도 있다.[4] 초등학교 실험실에서 저항을 구하기 쉽지 않기에 꼬마전구를 달기도 한다.[5] n은 단위 길이당 감은 수를 나타내는 상수이다.[6] 이론 상으로는 n을 늘리면 강한 자석이 되지만, 초전도체가 아닌 이상 도선의 길이가 길어지면 저항도 같이 늘어난다는 점으로 반드시 자력이 커진다라는 보장은 없다.[7] 전류를 더 흘려주어도 자기장이 더 이상 강력해지지 않는 현상. 일반 전자석에서는 일어날 수밖에 없는 현상이다.[8] 일은 힘과 거리의 곱인데, 자석의 힘은 매우 강하지만 이 힘에 이끌려 움직이는 것이 없음으로 일을 전혀 하지 않기 때문에 전력소비량이 적다. 전력소비량은 대부분 전기 저항으로 인한 코일의 발열 때문에 발생한다.[9] 이건 호 인센이 만든 물건.[10] 마키토 역시 전자석을 동원했다.