기전력

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기전력(起電力, 영어: electromotive force, electromotance)은 역학적 에너지(또는 화학변화의 에너지)에 의해서 어떤 전위차를 만들어내는 것 같은 전원(電源)의 작용을 말한다. 주로, 전문서적이나 원서의 경우 대문자가 아닌 소문자 영문약어인 emf로 표기하는 경우가 많다. 외부에 전류가 흐르지 않을 때는 이 전위차에 의한 전기장(電氣場)이 전원의 기능을 멈춘다. 이 때의 전위차가 기전력이다. 외부로 전류를 흘려 보내면 전기장이 약화되고 전원이 작용을 함으로써 일정한 전위차가 유지된다. 즉, 도체 양끝에서 일정한 전위차를 계속 유지시킬 수 있는 능력을 기전력이라 한다.


전자에 운동에너지를 공급하여 회로에 전류를 계속 흐르게 유지시키는 능력을 말한다. 전위(electric potential)가 다른 2점간에서는 전위가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 전류를 이동시키려는 힘이 작용한다. 이러한 힘을 기전력이라 한다. 약어로 EMF 또는 emf로 나타낸다. 기전력은 힘이 아니고 단위 전하당 한 일의 양이다. 예를 들면, 기전력이 1.5V인 건전지는 이를 통과하는 1C의 전하에 1.5J의 일을 해 준다. 따라서 기전력의 단위는 전위와 같은 V(볼트)이다. 기전력은 발전기나 전지 등에 존재한다. 어떤 기준점에서 전기의 위치를 전위라 하고 상대적인 차이를 전위차라 한다.

화학기전력에서는 에너지원으로 전지를 이용하는데 전지의 전극 부근에는 전하가 분포하여 정전기장을 만들어내고 있는데, 전위는 양극에서 가장 높고 음극에서 가장 낮다. 이때 전기장을 약화시키고 일정한 전위차를 유지하도록 하는 것이 기전력이다. 전자기유도 기전력은 단위전하가 회로를 일주하는 동안에 유도전기장이 하는 일이다. 이 밖에 열기전력, 광기전력, 피에조기전력 등이 있으며 형태는 달라도 전하에 에너지를 주는 에너지원이 있다.

회로의 미소 요소를 ds, 전기장 E의 회로 방향 성분을 Es라고 할 때, ∫Es ds로 정의된다. EMF라고 약칭한다. 전위의 차원을 가지므로 기전압이라고 할 수도 있다. 폐회로 전체에 관한 기전력은 ∮Es ds가 되지만, 전지의 극이나 종류가 다른 금속의 접촉면에서처럼 전위가 불연속에 가깝게 변동하는 부분은 적분에서 제외한다. 정류전류의 경우는 옴의 법칙에 따라 기전력은 회로 각 부분의 전류의 세기 I와 저항 R의 곱의 합이 된다. 정류전류가 아니라도 변위전류가 전도전류나 대류전류에 대해 무시할 수 있는 경우에는 근사적으로 기전력은 ∑RiIi로 표시할 수 있다. 정전기장뿐일 때는 폐회로의 기전력은 0이다. 기전력에는 전자기유도에 의한 것, 열기전력, 광천지의 광기전력, 전지의 화학기전력 등이 있다.

전자기유도에 의한 기전력은 패러디의 전자기유도의 법칙에 따라 라는 형으로 정해진다. S는 회로를 둘레로 하는 임의 곡면이고, Bn은 S를 관통하는 자기유도의 S에 수직의 성분, 가우스단위계에서 c는 광속도, MKSA단위계에서는 c=1이다. 전류 자체가 원인이 되어 그 전류를 줄이려는 기전력도 전자기유도에 의한 것인데, 이것을 역기전력이라 한다. 전지, 발전기 등의 기전력은 부하를 붙이지 않는 개회로의 경우 단자 사이의 전위차를 가리킨다.

1.유도 기전력[편집]

유도기전력(induced electromotive force)이란 유도전압으로써 특히 전자기 유도에 의한 전압(기전력)이 발생할 경우를 말합니다(유도전류는 자기장이 형성될때 발생).

       <유도전류(전자기유도)를 흐르게 하는 유도기전력과 렌츠의 법칙>

유도기전력을 통해 패러데이의 법칙인 자기력을 전기력으로 변화하기 위해서 자석코일이 필요합니다(이것을 응용한 것이 발전기인데, 발전기는 자기력과 전기력이 수시로 전환되면서 변화함).

위의 그림에서 자석을 코일에 넣었다 뺐다 하면서 변화를 주면 유도전류가 흐르는데, 이 전류가 유도기전력에 의해 생성된 전기에너지입니다. 이때 유도기전력은 유도전류가 자기력선속의 변화를 상쇄시키는 방향으로 흐르기 때문에 음(-)의 부호를 갖고 이를 렌츠의 법칙이라고 합니다.

코일에 전압을 가하면 전류(유도전류)는 90˚ 늦은 위상차가 나타납니다. 유도전압(유도기전력)을 +와 -로 구분하여 나타내면 위의 그래프와 같이 나타납니다. 전압과 유도전압(유도기전력)은 같은 전압이지만 엄밀히 말하면 다릅니다. 그냥 일반적으로 부르는 전압과는 달리 유도전압은 전자기유도에 의해 나타나기 때문에 방향성(+,-)이 강하고, 변화하기 쉬우며, 전압이 최대가 되더라도 전압의 크기가 변화하지 않으면 그래프처럼 유도전압은 최소(0)가 되어 버립니다.  

자기장의 세기의 그래프와 유도전압 그래프[3]는 서로 다른 그래프이고, 다만 앞의 그래프는 자기장의 세기가 기준이며, 이에 따라 유도전압(유도기전압)이 발생하므로 유도전압그래프[3]와 비슷한 형태로 표현이 됩니다.


유도기전력(유도전압)은 자기력선속의 시간에 대한 변화량에 비례하는 크기를 갖으며, 유도기전력과 자기력선속은 위상차가 있고(자기장의 변화를 방해하는 방향으로 흐르려 하기 때문에 시간에 따른 위상차가 생김), 유도기전력이 최대일때 자기력속선은 최소가 되고, 유도기전력이 최소가 될때 자기력선속은 최대가 되는 맞물린 연관성이 있습니다.

[3]처럼 스위치가 ON일때 유도기전력은 반대방향으로 유도되고, 스위치가 OFF일때 같은방향으로 유도됩니다(변화를 방해하며 그반대상황이되면 오히려 도와줄려고 하는 이중성때문).


                          <사상의학과 전자기학>

전자기유도현상을 이용하는 발전기의 유도기전력은 자기력속선(자기장)과 맞물려 있기 때문에 아래와 같은 그래프 형태로 나타납니다.

유도기전력(유도전압)은 전자기유도를 위하여 자기력을 전기력으로 바꾸어(만들어) 주는 전압이므로, 자기장과 전기장이 교류할때 발생하게 됩니다. 자기장이 강하고 빠르게 변화할수록 유도기전력도 강한데, 자기장의 변화가 없다면 유도기전력은 최소(0)이 됩니다. 다만 유도기전력은 자기장의 세기(자기력선속)와 90˚ 늦은 위상차를 가지며 나타납니다.