전자석

전 자석입니다
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[2][3] 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.

맥스웰 방정식의 4번 식인 맥스웰-앙페르 법칙은 적분식으로

$\displaystyle \oint_{ \partial \Sigma} \mathbf{B} \cdot d \mathbf{l}= \mu_{0} \iint_{ \Sigma} \mathbf{J} \cdot d \mathbf{S}+ \mu_{0} \epsilon_{0}\frac{d}{dt} \iint_{ \Sigma} \mathbf{E} \cdot d \mathbf{S}$

로 표현되는데, 이때 변위전류 항인

$\displaystyle \mu_{0} \epsilon_{0}\frac{d}{dt} \iint_{ \Sigma} \mathbf{E} \cdot d \mathbf{S}$

를 고려하지 않으면 [4]

$\displaystyle \oint_{ \partial \Sigma} \mathbf{B} \cdot d \mathbf{l}= \mu_{0} \iint_{ \Sigma} \mathbf{J} \cdot d \mathbf{S} = \mu_0 I$

가 된다.

즉 전류가 흐르면 자기장이 형성된다는 것을 알 수 있다.참 쉽죠?
전자석은 이렇게 전류의 흐름에 따라 형성되는 자기장을 사용하는 도구이다.

가장 간단한 형태. 여러분이 생각하는 바로 그 전자석이다. 원형의 철심을 코일로 둘러서 만든다.

초등학교에서도 만드며, 효율이 좋지 않다.철심이나 클립 몇 개 드는 정도다. 그마저도 못 들어 몇 개는 떨어지는 경우도 있긴 하다.

앞에서 언급된 맥스웰 방정식을 풀면 $\mathbf{B}= \mu_{0} n I$가 되고[5] 따라서 n을 충분히 늘리면 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.

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[6]를 방지할 수도 있다. 다만 초전도 현상이 일어나야 저러한 장점을 사용할 수 있으므로, 초전도 상태를 유지해야 하며, 이 때문에 매우 낮은 온도에서 작동될 수 밖에 없다. 이때 냉각제로서 액체 헬륨을 주로 사용한다.

NMR, MRI등의 자기장을 이용한 측정 장비에 자주 사용되며, LHC도 초전도 자석을 이용하여 입자를 가두어 놓는다. 그래서 MRI와 입자 가속기들이 가장 큰 헬륨 소모원이라 카더라