솔레노이드 문서 원본 보기

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[[파일:Solenoid-1.png|섬네일|솔레노이드]]

'''솔레노이드'''({{llang|fr|solénoïde}})는 [[도선]]을 촘촘하게 원통형으로 말아 만든 기구이다. 솔레노이드는 솔레노이드에 전기를 흘려 [[자기장]]을 만들 수 있어 [[전자석]]으로 주로 이용된다. 솔레노이드는 [[유도자]]([[코일|인덕터]])의 종류 중 하나로서, [[교류]]를 이용하는 전자회로에 아주 유용하게 쓰인다. 솔레노이드 단독으로도 자기장을 만들지만 [[자기|자성]]이 센 [[강자성체]]를 넣으면 [[자화]]가 일어나면서 자기장이 더 강해지는 효과가 일어난다.

== 원리 ==
솔레노이드라는 단어는 그리스어 '관(σωλήνας,solínas)'에서 유래한 말이다. 솔레노이드에 흐르는 전류의 양을 조절함으로써 전자석으로 사용할 수 있다. 솔레노이드는 [[전기에너지]]를 [[자기에너지]]로 변환하므로 [[에너지변환장치]]라고도 할 수 있다. 내부자기장의 크기는 전류의 크기에 [[비례]]하고 단위 길이당 감은 수에 비례한다. 도선에 전류가 흐르면 그 주변에 시계반대방향으로 자기장이 형성되는데([[앙페르의 오른나사 법칙]]) 이 때 이 도선을 감아 솔레노이드를 만들 경우 도선이 일직선일 때 생성되었던 자기장들이 같은방향으로 정렬되면서 솔레노이드의 자기장이 벡터합으로 구해진다.

== 유래 ==
=== 길버트의 전기와 자기 ===
전기와 자기에 대한 연구를 본격적으로 시작한 사람은 영국의 [[윌리엄 길버트]]이다. 길버트가 1600년에 출판한 자석에 대하여라는 책은 근대 전기 자기학의 출발점이 되었는데, 그는 이 책에서 처음으로 기존에 진행되었던 자석에 대한 실험 결과들을 집대성하여 전기와 자석의 성질을 종합적으로 정리했다. 또한 그는 전기와 자기가 서로 다른 현상이라고 주장하였는데, 이는 후에 [[한스 크리스티안 외르스테드|외르스테드]] 전류의 자기작용을 발견하고, 패러데이가 [[전자기 유도]]법칙을 발견하여 전기와 자기가 통합되기 전까지 [[전기학]]과 [[자기학]]이라는 독립된 연구 분야가 만들어지는 결과를 가져왔다.

=== 외르스테드의 실험 ===
1820년 4월 21일, 덴마크의 과학자 [[한스 크리스티안 외르스테드]]는 강의 시범용 장치를 설치하다가 놀라운 발견을 했다. 그는 대학원생들에게 [[전류]]가 백금전선에서 열을 어떻게 발생시키는지를 보여주고 있었다. 그때 그는 우연히 실험을 보여주던 책상 위에 [[나침반]]을 올려두었다. 나침반의 바늘은 처음에는 지구의 [[자기장]]을 따라 남-북으로 정렬되어 있었다. 그런데 외르스테드가 전선에 [[전류]]를 흐르게 하자마자 나침반의 바늘이 갑자기 백금전선과 수직인 방향으로 돌아갔다. 그리고 전류를 끊자 곧바로 바늘은 원래 위치로 돌아갔다. 당시 외르스테드는 이 현상에 몹시 당황했고 몇 달 동안 이 실험을 하지 않았다.
3개월 후 외르스테드는 전류가 나침반의 자석에 힘을 가하는지에 대하여 알아보기 위해 실험을 다시 시작했다. 또한 그는 전선과 전류에 변화를 줄 때마다 나침반의 바늘에 어떠한 일이 일어나는지 관찰했다.
몇 달 동안 연구한 뒤 외르스테드는 전류가 흐르는 전선이 자기적 성질을 보이고, 그 [[자기력]]은 기존에 [[아이작 뉴턴]]이 제시했던 힘과는 전혀 다른 종류라는 결론을 내렸다. 그리고 그는 과학계에 자신의 [[전자기]] 발견을 담은 소책자를 출판했다. 이 책은 전기와 자기는 개별적이라고 생각하던 당시의 많은 사람들에게 신선한 충격을 주었다. 또한 전자기라는 개념을 통해 앙드레 마리 앙페르와 마이클 패러데이와 같은 사람들이 이에 대한 위대한 업적을 세울 수 있었다.

=== 전자기의 탐구 ===
1820년 9월 프랑스 과학 아카데미 주최로 파리에서 열린 논문 발표에서 [[앙드레 마리 앙페르]]는 외르스테드가 전기와 자기에 대한 논문을 발표하는 것을 듣고 흥미를 느꼈다. 앙페르는 곧 외르스테드의 실험을 직접 해보았고, 정확히 1주일 뒤에 독창적인 이론과 실험을 통해 전기와 자기와의 관계를 정확히 규명한 논문을 발표하였다. 그는 이 논문에서 오늘날 앙페르의 오른손 법칙이라고 불리는 전류의 방향과 나침반 바늘의 방향과의 관계를 밝혀냈고, 전류의 세기와 전선으로부터의 거리에 따른 [[전자기장]]의 세기에 관한 방정식을 고안하기도 하였다.

=== 전동기와 원통 코일의 발명 ===
외르스테드의 발견 후 1년이 채 안되어서 영국의 화학자이자 물리학자인 [[마이클 패러데이]]는 전자기력을 이용하여 전선을 계속 회전시킬 수 있는 방법을 찾아냈다. 그리고 그 과정에서 간단한 형태의 [[전동기]]를 만들어내었다. 또한 앙페르는 자기가 자석이나 쇠막대기 없이 단지 전기의 힘만으로도 발생한다는 사실을 발견해, [[전선]]을 원통 형태로 감고 [[전류]]를 흘려주면 주변에 [[자기장]]이 형성되어 원통 코일이 [[자석]]과 같은 역할을 할 수 있다는 것을 알아내었다. 이 원통 코일이 바로 솔레노이드이다.

=== 패러데이의 발견 ===
1819년, 외르스테드의 발견을 통하여 패러데이는 전류에 의해서 자기장이 만들어진다면, 반대로 자기장으로 전류를 만들 수 있을 것이라고 생각했다. 12년이 지난 1831년 8월 29일, 패러데이는 오늘날의 [[변압기]]와 유사한 장치를 고안해내었다. 그리고 이 장치를 활용해 10월 17일 [[전자기 유도]] 현상을 발견해내었다. 그의 발표로 전자기의 상호 작용은 완벽하게 증명되었다.
자석을 원통 코일 근처에서 움직이게 되면 코일 주위에 자기장의 변화가 생기게 되는데 이것이 [[기전력]]을 발생시킴으로써 코일에 전류가 흐르게 된다. 자석의 이동이 빠를수록 전류가 더 강하고, 이동이 없을 때 전류가 흐르지 않음을 발견하였다. 또한 전선이 코일로 감겨 있어 전선이 자기장에 더 많이 노출될수록 효과는 더 컸다.
패러데이의 전자기 유도법칙은 전기를 만들어내는 새로운 방법을 제시하였다. 그때까지는 마찰 전기와 전지를 이용하여 전기를 생산해내었는데, 이 발견으로 전류를 자석을 이용하여 효과적이고 지속적으로 만들어낼 수 있게 되었다.

== 물리학적 특성 ==
=== 솔레노이드 주변의 자기장의 세기 ===
솔레노이드에 전류를 흘리면 그 주변에 자기장이 유도된다. 그 기본적인 이유는 솔레노이드를 이루고 있는 도선들에 의해 유도된 자기장 [[벡터]]들의 벡터합으로 생각할 수 있다. 솔레노이드의 길이가 무한하다고 가정한다면 [[앙페르의 회로법칙|앙페르의 법칙]]으로 쉽게 안과 밖에 유도되는 자기장의 세기를 구할 수 있다. 솔레노이드 내부의 자기장의 방향은 전류가 흐르는 방향으로 오른손의 엄지손가락을 제외한 나머지 손가락으로 감았을 때에 엄지손가락이 향하는 방향이다

.

==== 솔레노이드 밖의 자기장 ====
[[자기력선]]의 가장 큰 특징 중 하나는 [[전기력선]]과 달리 고리 형태를 이루어야 한다는 것이다. 공간에 놓인 [[점전하]]는 서로 갈라지는 전기장선을 만들지만 하나의 [[자기쌍극자]]는 고리형태의 자기장선을 만든다. 무한히 긴 솔레노이드에 적용시킨다면 솔레노이드는 바깥의 공간에 자기장을 형성시킬 수 없다. 실험적으로 보자면 긴 솔레노이드 밖의 자기장은 솔레노이드의 길이가 길어질수록 0에 수렴한다.

==== 솔레노이드 안의 자기장 ====
[[파일:Solenoid_with_3_loops_(1).png|섬네일|솔레노이드에서 잡은 3개의 앙페르 고리]]
솔레노이드에서 앙페르의 법칙을 쓰면 한 단면적에서 어느 점에서나 자기장이 일정하다는 것을 보일 수 있다. 무한한 도선에선 솔레노이드 어느 부분의 중심을 잡아도 자기장이 일정하므로 솔레노이드 모든 점에서 자기장이 균일하다.
옆의 그림에서 b의 [[앙페르 고리]]에서 앙페르의 법칙을 사용하면 직사각형의 윗변과 아랫변에서는 자기장의 방향과 적분 방향이 수직하므로 적분값이 0이고 오른쪽 변에서는 자기장이 0이므로 적분값이 0이다. 결과적으로 직사각형의 왼쪽 변의 길이를 <math>l</math>라고 하면 앙페르의 법칙에 의해
<math>\int B \,dl = \mu_0 i n l</math>
이다. 단, <math>n</math>는 단위 길이당 감겨 있는 도선의 수이다.

솔레노이드 내부에서 자기장의 세기는 일정하므로 
:<math>\int B \,dl = B l = \mu_0 i n l</math>
이고 따라서
: <math> B = \mu_0 i n </math>
이다.

=== 솔레노이드의 유도용량 ===
솔레노이드는 유도자의 종류 중 하나로 [[유도용량]]([[인덕턴스]])을 가지며 그 값은 다음과 같다.

:: <math> L = \mu_0 n^2 l A </math>

단, <math>\mu_0</math>은 진공에서의 [[투자율]], n은 단위 길이당 감긴 도선의 수, l은 솔레노이드의 길이, A는 솔레노이드의 단면적이다.

유도용량, <math>L</math>는 유도자에 전류 <math>i</math>를 흘렸을 때 생기는 [[자기 플럭스]], <math>\Phi_B</math> 에 따라 [[코일]]이 N번 감겼을 때 <math> L=\frac{N\Phi_0}{i} </math>로 정의된다.

==== 교류 회로에서의 솔레노이드의 역할 ====
솔레노이드의 가장 큰 특성은 변하는 전류를 억제하려는 [[역기전력]]을 생산한다는 것이다. 이러한 특성은 곧 일정한 [[직류]]전원에 연결된 솔레노이드는 별다른 특성을 가지지 않는다는 것이다. 사인파 형태로 진동하는 [[기전력]]을 가진 [[교류]]전원에 연결되었을 때에는 마치 [[저항]]처럼 솔레노이드에서 [[전압강하]]가 일어난다. 즉, 솔레노이드를 포함한 유도자는 전류의 변화를 방해하도록 작용한다.
솔레노이드를 포함한 유도자는 변하는 전류에 대해 다음과 같은 역기전력을 만들어낸다.

:: <math> \epsilon = -L\frac{di}{dt}\ </math>
여기서 -부호는 발생된 역기전력이 기존의 전류변화와 반대방향으로 작용됨을 의미한다. 예를 들어 전류가 감소하고 있는 경우, <math>di</math>는 음수가 되고 역기전력은 양수가 되어 전류가 흐르던 방향으로 기전력을 만든다.

==== 솔레노이드가 포함된 간단한 회로 ====
솔레노이드가 포함된 간단한 회로로써 교류전원에 연결되어있는 솔레노이드를 생각해 볼 수 있다.
<math> \epsilon=\epsilon_m \sin(\omega t) </math>로 진동하는 교류전원에 L의 유도용량을 가진 솔레노이드가 연결되었을 경우,
솔레노이드 양 끝단의 [[전압차]]는 <math>v_L = V_L \sin(\omega t)</math>로 나타내어지며,
솔레노이드가 유도자이므로 <math>v_L=L\frac{di}{dt}</math>가 성립한다. 따라서,
:: <math>\frac{di}{dt} = \frac{V_L}{L} \sin(\omega t)</math>
이다.
<math>i</math>를 구하기 위해 [[적분]]하면 <math>i = \int \,di=\frac{V_L}{L}\int \sin(\omega t)\,dt  = -\left(\frac{V_L}{\omega L}\right) \cos(\omega t)</math> 이고

[[리액턴스]]를 <math>X_L = \omega L </math>로 정의하면 [[옴의 법칙]]에서 나타난 <math>V=IR</math> 관계와 같이 리액턴스를 유도자의 저항으로 생각할 수 있다.

=== 솔레노이드의 에너지 밀도 ===
솔레노이드 안의 자기장은 [[에너지]]를 갖고 있다. 솔레노이드에 전류가 흐름으로써 발생된 모든 에너지는 솔레노이드 외부의 자기장이 0이기 때문에 솔레노이드 안에 존재하게 된다. 내부에 자기장이 균일하기 때문에 공간의 에너지 분포도 균일하다. 따라서 솔레노이드 안의 모든 공간은 동일한 [[에너지 밀도]]를 갖게 된다.
단면적 A인 무한한 길이의 솔레노이드 중 길이 <math>l</math>인 부분을 살펴보면

L의 유도용량을 가진 유도자에 전류 <math>i</math>가 흐름으로 인해 만들어진 자기장 에너지 <math>U_B</math>는 <math>\frac{1}{2} L i^2</math> 이므로
자기장의 에너지 밀도 <math>u_B</math>는 <math>u_B = \frac{L i^2}{2 A l} = \frac{L}{l} \frac{i^2}{2A}</math>이다.
단, 여기서 L은 길이 <math>l</math>인 부분의 유도용량이다.

솔레노이드는
<math> L = \frac{\mu_0 n^2 A}{l} </math>가 성립하므로,

:: <math> u_B = \frac{B^2}{2\mu_0}</math>

가 성립한다. 단, B는 솔레노이드 내부의 자기장을 나타낸다.

== 이용 ==
원통형으로 감은 코일에 전류를 흘리면 자기장이 형성되며, 그 속에 철심을 넣으면 더 강한 자기장을 얻는다. 솔레노이드는 제조과정이 간단하고 경제성이 있어 일상 생활용품, 사무용품, 자동차부품 등 다양한 분야에 쓰인다.
=== 솔레노이드 밸브 ===
솔레노이드에 전류가 흘러 자기장이 형성되면 근처의 [[철제]] 물체에 [[끌힘과 밀힘|인력]]을 작용하는 성질을 이용하여 관의 [[개폐]]를 [[전기적 신호]]로 제어할 수 있는 [[밸브 코퍼레이션|밸브]]를 만들 수 있다. [[압축공기]]의 [[유압]]을 제어하여 자동으로 문을 열고 닫는 버스의 개폐문이나 정수기에서 쓰이는 자동 냉, 온수 잠금장치 등이 이러한 솔레노이드 밸브를 사용하고 있다. 또한 버튼을 눌렀다 놓을 때 흐르는 전류를 이용해 철제 종을 쳐서 소리를 내는 현관문의 알림벨도 이러한 솔레노이드의 특성을 이용한다.

=== 전자석 ===

전자석이란 전류가 흐르면 [[자기화]]되고, 전류를 끊으면 자기화되지 않은 원래의 상태로 되돌아가는 [[자석]]을 말한다. 전류의 공급과 상관없이 항상 [[자기]]를 유지하는 영구자석과 구분된다. 도선에 전류가 흐르면 도선 주위에 [[동심원]] 모양의 자기장이 형성된다. 이러한 원리를 이용하여 영구자석으로는 얻을 수 없는 매우 강력한 자기장을 얻을 수 있다. 원통 모양의 [[철심]]에 코일을 감아서 만든 솔레노이드가 가장 간단한 형태의 전자석이다. 전자석의 철심은 어느 정도 자기화가 진행되면 전류를 더 높여도 더 이상 자기화가 진행되지 않는다. 이를 [[자기포화]]상태라고 한다.

전자석은 전류를 인위적으로 조정하여 비교적 쉽게 자기장의 세기를 바꿀 수 있다. 그래서 [[통신기]]의 [[계전기]]부터 1t(톤) 이상의 무거운 재료를 끌어올리는 전자기식 [[기중기]]까지 널리 이용된다.


[[파일:VFPt Solenoid correct2.svg|left|섬네일|솔레노이드에 형성되는 자기장]]왼쪽이 그림에서 둥그렇게 보이는 것은 도선의 [[단면]]이고 화살표가 표기된 선들은 자기력선을 나타낸 것이다.

=== 변압기 ===

변압기는 [[유도성 전기 전도체]]를 통해 전기 에너지를 한 회로에서 다른 회로로 전달하는 장치를 말한다. [[1차 회로]]의 전류의 변화는 자기장의 변화를 만들어 낸다. 또, 이 자기장의 변화는 [[2차 회로]]에서 [[전압]]의 변화를 유도한다. 2차 회로에 [[부하]]를 더함으로써 변압기에서 전류를 만들어 한 회로의 에너지를 다른 회로로 전달할 수 있다. 이러한 변압기는 전류의 변화가 있을 때에만 작동하므로 주로 [[교류]] 전원의 전압을 바꿀 때에 사용된다.

이상적인 변압기에선 2차 회로에서 [[유도]]되는 전압(''<math>V_s</math>'')은 1차 회로에서의 전압 (''<math>V_p</math>'')에 비례하고, 그 비율은 2차 회로에서 도선을 감은 횟수(''<math>N_s</math>'')와 1차 회로에서 도선을 감은 횟수(''<math>N_p</math>'')의 비율과 같다.

:: <math>\frac{V_s}{V_p} = \frac{N_s}{N_p}</math>

== 같이 보기 ==
* [[헬름홀츠 코일]]
* [[유도자]]
== 참고 문헌 ==
* 청소년을 위한 서양과학사 /손영운 지음/ 두리미디어/ 142~162
* 100가지 과학의 대발견 /켄들 헤븐 글/박미용 옮김/ Gbrain / 140~143
* 청소년이 꼭 알아야 할 과학문명의 역사2 / 히라타 유타카 지음/이면우 옮김/ 서해문집/ 127
* 이것만은 알고 죽자 Q&A 과학사 / 곽영직 지음 / 살림 / 140~141, 161~163
* 사이언티스트 100 / 존 시몬스 지음/ 여을환 옮김/ 세종서적 / 77~85

{{전거 통제}}

[[분류:전자기 코일]]