지식나눔

자기장에서 막대도선을 가속운동시킬 때에 관한 질문입니다.

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회로가 아닌 그저 금속막대를 자기장내에서 자기장 방향과 수직으로 놓고 운동시킬 때

그 운동이 가속도운동이 아니라 (용수철을 빼고)등속 운동 시키더라도
금속막대 양 끝지점이 +,- 로 대전될 수 있는지 알고 싶습니다. (상황에 대한 그림첨부 하였습니다. 용수철은 부도체이고 막대도선의 운동에 따른 전자기파 발생은 무시합니다.)

또한 O지점을 지나면서 금속막대의 전류방향은 그대로인지 바뀌게 되는지도 궁금합니다. 
감사합니다.  
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    안길홍님의 답변

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    실험1: Faraday법칙에 의하여 전기장은 자기장을 유도하고, 자기장은 전기장을 유도합니다.
    지금 전자기장의 유도에 관한 질문인데, 간단한 실험을 하시기 바랍니다. 금속막대의 양단에 
    직류voltage로 multi-tester기를 연결하여 lead선 양단을 악어 클립으로 연결한 후 직접하여 보시면
    간단히 해결 됩니다. 100번 말로써 설명하는 것보다 한번 실험하여 보면 더 확실히 알 수 있습니다.
    (전자기파 발생은 높은 주파수에 의하여서 발생됩니다. 그냥 막대금속을 왔다 갔다 하는 정도로써는
    전자기파의 발생이 일어나지 않습니다)(금속막대 양끝의 전선연결이 없음: 개방회로): 도선에 흐르는 전도전류에 의하여 도선을 중심으로하여 자기장이 발생하며 이에 대응하는 역기전력이 금속막대에서 일어나게 됩니다. 따라서 (+)에 대응하여 (-)가 유도되고, (-)에 대응하여 (+)가 유도됩니다.
    실험2: 단순히 금속막대만으로써는 전자기 유도를 일으킬 수 없으며, 직류는 회로가 형성되어야 전기가 흐릅니다. 다시 말하면 막대만으로는 회로가 형성되지 않고 단선이 되어 있습니다. 따라서 막대의 양단을 전선으로 연결하여 폐쇄히로를 이루어 주어야 된다는 것을 유념하시기 바랍니다.
    실험1: Faraday법칙에 의하여 전기장은 자기장을 유도하고, 자기장은 전기장을 유도합니다.
    지금 전자기장의 유도에 관한 질문인데, 간단한 실험을 하시기 바랍니다. 금속막대의 양단에 
    직류voltage로 multi-tester기를 연결하여 lead선 양단을 악어 클립으로 연결한 후 직접하여 보시면
    간단히 해결 됩니다. 100번 말로써 설명하는 것보다 한번 실험하여 보면 더 확실히 알 수 있습니다.
    (전자기파 발생은 높은 주파수에 의하여서 발생됩니다. 그냥 막대금속을 왔다 갔다 하는 정도로써는
    전자기파의 발생이 일어나지 않습니다)(금속막대 양끝의 전선연결이 없음: 개방회로): 도선에 흐르는 전도전류에 의하여 도선을 중심으로하여 자기장이 발생하며 이에 대응하는 역기전력이 금속막대에서 일어나게 됩니다. 따라서 (+)에 대응하여 (-)가 유도되고, (-)에 대응하여 (+)가 유도됩니다.
    실험2: 단순히 금속막대만으로써는 전자기 유도를 일으킬 수 없으며, 직류는 회로가 형성되어야 전기가 흐릅니다. 다시 말하면 막대만으로는 회로가 형성되지 않고 단선이 되어 있습니다. 따라서 막대의 양단을 전선으로 연결하여 폐쇄히로를 이루어 주어야 된다는 것을 유념하시기 바랍니다.
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    이응신님의 답변

    일반적으로 패러데이 법칙을 유도하기 위해서는 로렌츠 힘에 의한 전하의 운동을 따집니다. 금속막대가 균일한 자기장에서 등속도로 운동할 때 폐회로가 형성되면 로렌츠 힘에 의해 전위차가 생기고 결과적으로 전류가 흐르게 됩니다. 로렌츠 힘: F = q(E + v X B) 으로 벡터 외적을 하여 전하가 받는 힘의 방향을 구합니다.

    만약 금속막대가 움직일 때 폐회로가 형성되지 않으면 금속막대의 양끝에 전자가 몰리고 반대쪽에서는 자유전자가 부족한 상태가 되므로 (+)가 되어 금속막대 양끝에 전위차가 발생되고 전류는 흐르지 않습니다.

    본 문제와 같은 경우는 막대가 단진자운동을 하여 가속운동을 하므로 단순한 로렌츠 힘으로 설명하기 어렵습니다. 따라서 페러데이 법칙도 단순하게 유도할 수 없습니다.

    전자기학 교재를 보면 (대학원에서 사용하는 어려운 책) 에이브래햄-로렌츠 힘(Abraham-Lorentz force)이 나옵니다. 가속운동을 하거나 가속운동이 변할 때 발생하는 힘에 대하여 잘 설명하고 있습니다. 여기에서 가속운동이 변하는 경우 (jerk가 일어날 때)를 제외한 상태에서 등가속도 운동을 한다고 가정하고 일어나는 상황을 알아볼 수 있습니다.

    전하가 가속운동을 하기 때문에 당연히 전자기파가 발생합니다. 속도가 느리든 빠르든 관계가 없습니다. 가속운동만 하면 전자기파가 발생합니다. 맥스웰 방정식을 보면 전하가 가속운동을 할 때 전자기파가 발생하는 이유를 설명하고 있습니다. 퍼셀의 전자기학 교재를 보면 이런 경우의 운동과 전자기파 발생을 자세히 설명하고 있으니 참고하면 됩니다.
    일반적으로 패러데이 법칙을 유도하기 위해서는 로렌츠 힘에 의한 전하의 운동을 따집니다. 금속막대가 균일한 자기장에서 등속도로 운동할 때 폐회로가 형성되면 로렌츠 힘에 의해 전위차가 생기고 결과적으로 전류가 흐르게 됩니다. 로렌츠 힘: F = q(E + v X B) 으로 벡터 외적을 하여 전하가 받는 힘의 방향을 구합니다.

    만약 금속막대가 움직일 때 폐회로가 형성되지 않으면 금속막대의 양끝에 전자가 몰리고 반대쪽에서는 자유전자가 부족한 상태가 되므로 (+)가 되어 금속막대 양끝에 전위차가 발생되고 전류는 흐르지 않습니다.

    본 문제와 같은 경우는 막대가 단진자운동을 하여 가속운동을 하므로 단순한 로렌츠 힘으로 설명하기 어렵습니다. 따라서 페러데이 법칙도 단순하게 유도할 수 없습니다.

    전자기학 교재를 보면 (대학원에서 사용하는 어려운 책) 에이브래햄-로렌츠 힘(Abraham-Lorentz force)이 나옵니다. 가속운동을 하거나 가속운동이 변할 때 발생하는 힘에 대하여 잘 설명하고 있습니다. 여기에서 가속운동이 변하는 경우 (jerk가 일어날 때)를 제외한 상태에서 등가속도 운동을 한다고 가정하고 일어나는 상황을 알아볼 수 있습니다.

    전하가 가속운동을 하기 때문에 당연히 전자기파가 발생합니다. 속도가 느리든 빠르든 관계가 없습니다. 가속운동만 하면 전자기파가 발생합니다. 맥스웰 방정식을 보면 전하가 가속운동을 할 때 전자기파가 발생하는 이유를 설명하고 있습니다. 퍼셀의 전자기학 교재를 보면 이런 경우의 운동과 전자기파 발생을 자세히 설명하고 있으니 참고하면 됩니다.
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