와전류

와전류(渦電流, 영어: eddy current) 또는 맴돌이 전류는 도체 내부에서 전자기 유도로 생기는 소용돌이 모양의 전류이다. 도체를 통과하는 자기 선속이 변하면 유도 전기장이 생기고, 도체의 전하가 그 전기장을 따라 폐곡선 형태로 흐르면서 와전류가 만들어진다. 와전류의 방향은 자기 선속의 변화를 방해하는 쪽으로 정해진다는 렌츠의 법칙을 따른다.^[1]

와전류는 변압기 철심의 손실처럼 원하지 않는 전력 손실을 만들기도 하지만, 비접촉식 제동·금속 검출·진동 측정·비파괴검사처럼 의도적으로 이용할 수도 있다. 전류가 흐를 수 있는 도체와 변화하는 자기장이 필요하므로, 전기적으로 절연된 자성체 자체에서는 같은 방식의 와전류가 크게 흐르지 않는다.

용어와 역사

‘와전류’라는 이름은 물속의 소용돌이처럼 도체 안에서 전류가 고리 모양으로 순환한다는 데서 유래했다. 레옹 푸코는 19세기 중반 자석과 금속판의 상대 운동에서 생기는 제동 현상을 연구했다. 이후 전자기 유도 이론과 전기기기 기술이 발전하면서 와전류는 전자기 브레이크와 변압기 설계의 중요한 요소가 되었다.

발생 원리

도체 안의 한 폐곡선을 통과하는 자기 선속을 $\Phi _{B}$ 라고 하면, 유도 기전력은 패러데이 전자기 유도 법칙에 따라

{\mathcal {E}}=-{\frac {d\Phi _{B}}{dt}}

로 나타난다. 도체의 저항과 인덕턴스를 고려하면 이 기전력이 도체 안에 전류 밀도 $\mathbf {J}$ 를 만든다. 자기장이 움직이는 자석에 의해 변하거나, 도체가 자기장 속에서 움직이거나, 교류 전류가 자기장을 변화시킬 때 모두 와전류가 생길 수 있다.

와전류는 한 가닥의 전선처럼 정해진 경로로만 흐르지 않고 도체의 국소적인 영역 안에서 여러 폐곡선을 이룬다. 도체의 모양·전기전도도·투자율·두께와 자기장의 변화 속도가 전류 분포를 결정한다. 변화가 빠르고 도체의 전도도가 높을수록 표면 가까이에 전류가 집중되는 경향이 있다.

성질

렌츠의 법칙과 힘

와전류가 만드는 자기장은 원래 자기 선속의 변화를 방해한다. 따라서 자석과 도체가 서로 가까워지거나 멀어질 때 상대 운동을 줄이는 힘이 나타난다. 이 힘은 접촉이나 마찰이 없어도 생기므로 비접촉식 제동에 이용할 수 있다. 반대로 시간에 따라 변하는 자기장이나 도체에 대해 움직이는 자기장과 도체 사이에는 반발력이나 부상력이 생길 수 있다.

전력 손실과 열

도체의 저항을 $R$ , 와전류를 $I$ 라고 단순화하면 줄열 손실은 $P=I^{2}R$ 로 나타난다. 실제 도체에서는 전류가 공간적으로 분포하므로 단위 부피당 손실을 전류 밀도와 전기전도도로 계산한다. 변압기와 전동기의 철심에서 와전류 손실은 열로 방출되어 효율을 낮춘다.

철심을 자기장 방향과 평행한 얇은 철판으로 나누고 철판 사이를 절연하면 전류가 큰 고리를 이루기 어려워진다. 이를 적층 철심이라고 하며, 변압기와 회전기에서 와전류 손실을 줄이는 기본 방법이다. 분말 철심이나 고저항 페라이트를 사용하는 것도 전류 경로를 제한하는 효과가 있다.

표피 효과와 확산

교류의 주파수가 높아지면 자기장이 도체 내부로 깊이 침투하지 못하고 표면 가까이에 전류가 집중되는 표피 효과가 나타난다. 좋은 도체에서 표피 깊이 $\delta$ 는 전기전도도 $\sigma$ , 투자율 $\mu$ , 각주파수 $\omega$ 에 따라 대략

\delta ={\sqrt {\frac {2}{\omega \mu \sigma }}}

로 주어진다. 전도도가 높거나 주파수·투자율이 클수록 침투 깊이는 작아진다. 시간에 따른 자기장과 전류의 분포는 전자기 확산 방정식으로 기술할 수 있으며, 이 성질은 금속의 표면 검사와 두께 측정에 이용된다.^[2]

응용

와전류제동

와전류제동은 자석과 도체판의 상대 운동을 제동력으로 바꾸는 장치이다. 회전하는 금속 원판이나 철도 차량의 디스크가 자기장 속을 지나가면 와전류가 생기고, 그 와전류가 만드는 자기장과 원래 자기장이 상호작용해 회전을 늦춘다. 접촉하는 마찰재가 없어 마모와 소음이 작지만, 정지 상태에서는 상대 운동이 없으므로 제동력이 거의 생기지 않는다.^[1]

발텐호펜 진자의 운동으로 관찰하는 와전류 제동

전력량계의 원판에도 와전류제동이 사용되었다. 원판의 회전 속도에 비례하는 제동 돌림힘과 전력에 비례하는 구동 돌림힘의 균형을 이용해 소비 전력과 회전 속도를 연결했다. 현대의 전력계와 철도 차량에서는 전자식 제어와 다른 제동 방식이 함께 사용된다.

같은 원리는 레코드 플레이어의 회전 속도를 일정하게 유지하는 데에도 사용되었다. 철도 차량에서는 마찰재에 의존하지 않는 보조 제동으로 활용할 수 있지만, 정지 상태에서는 상대 운동이 없어 제동력이 거의 생기지 않는다.^[1]

부상과 추진

시간에 따라 변하거나 도체에 대해 움직이는 자기장이 비자성 도체에 작용하면 도체 안의 와전류가 자기장과 상호작용해 반발력·부상력·추진력을 만든다. 자기 부상 열차와 선형 유도 전동기의 일부 원리가 여기에 해당한다. 실제 장치는 강한 전자석, 전력 변환기, 냉각 장치와 안전 제어를 함께 사용한다.

금속 식별과 센서

와전류 탐촉자는 교류 자기장을 금속 표면에 가하고, 금속 안에서 생기는 와전류가 탐촉자의 임피던스를 어떻게 바꾸는지 측정한다. 전기전도도·투자율·두께·균열에 따라 응답이 달라지므로 서로 다른 금속을 구분하거나 도금 두께와 판 두께를 측정할 수 있다. 회전축의 진동과 위치를 비접촉으로 측정하는 센서에도 와전류 원리가 사용된다.

비파괴검사

금속 표면이나 표면 가까이의 균열은 와전류의 경로를 끊거나 전류 분포를 바꾼다. 검사 장비는 탐촉자의 임피던스 변화와 위상 변화를 분석해 균열·부식·재료의 불연속을 찾는다. 이 방법은 항공기 부품, 열교환기 관, 용접부의 검사에 사용되지만, 깊은 내부 결함이나 전기가 통하지 않는 재료에는 적용이 제한된다.^[3]

같이 보기

각주

1 2 3 Fink, Donald G.; Christiansen, Donald (1989). 《Electronics Engineers' Handbook》. McGraw-Hill.
↑ Wangsness, Roald K. (1986). 《Electromagnetic Fields》 2판. Wiley.
↑ Boyes, Walt (2009). 《Instrumentation Reference Book》. Butterworth-Heinemann. 570쪽.

위키미디어 공용에 와전류 관련 미디어 분류가 있습니다.

[FinkEddy-1] 1 2 3 Fink, Donald G.; Christiansen, Donald (1989). 《Electronics Engineers' Handbook》. McGraw-Hill.

[2] Wangsness, Roald K. (1986). 《Electromagnetic Fields》 2판. Wiley.

[3] Boyes, Walt (2009). 《Instrumentation Reference Book》. Butterworth-Heinemann. 570쪽.

[1]

[2]

[3]

전거 통제
국제	GND FAST
국가	미국 프랑스 BnF 데이터 이스라엘
기타	예일 LUX