본문내용
1. 솔레노이드의 자기장
1.1. 개요
전류에 의해 솔레노이드 안에 형성되는 자기장 세기를 측정하고, 자기장 센서로 측정한 자기장의 세기와 계산한 자기장의 세기 값을 비교해 보는 것이 이번 실험의 목적이다. 자기장 센서는 자기장의 크기, 방향 등을 측정할 수 있는 센서이며, 다양한 종류가 존재한다. 자기 신호를 검출하는 기능을 가지고 있으며, 자기장의 영향으로 인해 물질의 성질 등이 변하는 원리를 이용하여 측정한다. 또한 솔레노이드는 인덕터의 한 종류로, 도선(코일)을 촘촘히 원통형으로 말아 만든 기구로, 코일에 전류가 흐르면 자기장을 발생시키는 성질을 가지고 있다. 이러한 원리를 이용하여 솔레노이드는 전기에너지를 자기에너지로 변환시킬 수 있다.
1.2. 이론
1.2.1. 자기장 센서
자기장 센서는 자기장의 크기, 방향 등을 측정하는 센서이다. 자기 신호를 검출하는 기능을 가졌으며, 자기장의 영향으로 인해 물질의 성질 등이 변하는 원리를 이용하여 측정한다. 다양한 종류의 자기 센서가 있는데, 예전부터 많이 사용되어 온 자침인 나침반은 방향을 확인하는 자기 센서이며, 코일형 자기 센서는 코일과 자속의 시간 변화와 관련한 물리현상을 이용해 사용된다. 이외에도 고체 자기 센서, 공명형 자기 센서 등도 자계 측정에 사용된다. 자기 센서는 단순히 자기장 및 자력선만 측정하는 것이 아니라 전류 측정, 기계량 측정 등에도 사용된다. 자기장 센서는 일상 생활에서도 많이 확인 할 수 있는데, 회전하는 모터나 물체의 회전속도를 측정하거나, 펄스 변조, 유량 및 유속 감지, 세탁기의 무게 감지, 자동차 속도 측정 등에 자기장 센서가 활용된다.
1.2.2. 솔레노이드의 원리
솔레노이드는 인덕터의 한 종류로, 도선(코일)을 촘촘히 원통형으로 말아 만든 기구 또는 전자부품이다. 코일에 전류가 흐르면 자기장을 발생시키는데, 솔레노이드는 이러한 원리를 이용하여 전기에너지를 자기에너지로 변환시킬 수 있다. 이때 발생하는 자기장의 크기는 전류의 크기, 코일의 지름, 감긴 횟수에 비례한다. 이를 수식으로 나타내면 B=μ₀nI이며, μ₀는 진공의 투자율, n은 단위 길이 당 코일의 감긴 횟수, I는 전류이다. 이 식은 솔레노이드의 반지름이나 위치에 독립적이다.
솔레노이드는 전기에너지를 자기에너지로 변환하는 에너지 변환장치로 활용되며, 흐르는 전류를 조절함으로써 전자석으로 이용할 수 있다. 이러한 특성을 이용하여 솔레노이드는 밸브나 급수 밸브 등의 제어 장치에 활용된다. 솔레노이드에 전류가 흘러 자기장이 형성되면 주변 철제 물질에 인력이 작용하는데, 이를 이용하여 관의 개폐를 전기적 신호로 제어할 수 있다. 예를 들어 버스의 자동문이나 정수기의 온수, 냉수 잠금장치 등에 솔레노이드의 밸브가 활용된다. 또한 솔레노이드를 활용하여 로켓 추진 과정의 발사 장치 성능을 향상시킬 가능성도 있다.
1.3. 실험장치 및 실험절차
1.3.1. 실험장치
실험장치는 자기장 센서, 솔레노이드, 바나나 패치코드, 막대자로 구성되어 있다. 자기장 센서는 솔레노이드 내부의 자기장을 측정하는 데 사용되며, 솔레노이드는 전류가 흘러 자기장을 발생시키는 역할을 한다. 바나나 패치코드는 솔레노이드에 전류를 공급하는 데 사용되며, 막대자는 솔레노이드의 길이를 측정하는 데 활용된다.
이 실험장치를 통해 솔레노이드 내부의 자기장 세기를 측정하고, 이론적 계산 값과 비교할 수 있다. 또한 솔레노이드의 여러 지점에서 자기장을 측정하고 솔레노이드의 거리에 따른 자기장 변화를 관찰할 수 있다.
1.3.2. 실험절차
OUTPUT:
실험절차는 다음과 같다. 먼저 OUTPUT 1포트를 클릭하여 Output Voltage-Current Sensor를 연결하고, Analog 포트에 자기장 센서를 연결한다. Signal generator 메뉴에서 Waveform은 DC, Auto에 체크하고, Sample rate는 기본값으로 한 뒤, Recording conditions에서 Stop condition을 2초로 설정한다. 그 다음 Analog 포트에 자기장 센서를 연결하고, Output 1 포트에 바나나 패치코드를 연결한다.
솔레노이드가 움직이지 않도록 주의하면서, 인터페이스 장치의 Output에 연결된 바나나 패치코드의 반대쪽 플러그를 솔레노이드의 양쪽 단자에 각각 꽂는다. 자기장 센서의 프로브 끝이 솔레노이드 내부 중앙에 위치하도록 한다.
실험 1에서는 솔레노이드 내부 중앙에 걸어주는 전압을 2V에서 10V까지 2V 단위로 올려가며, Axial 방향 자기장 세기를 10회씩 측정한다.
실험 2에서는 5V의 전압을 인가하고, 솔레노이드의 중앙, 왼쪽에서 1/4지점, 왼쪽 끝, 오른쪽에서 1/4지점, 오른쪽 끝 등 여러 지점에서 Axial과 Radial 방향의 자기장을 측정한다.
실험 3에서는 5V의 전압을 인가하고, 솔레노이드의 중심에서 왼쪽과 오른쪽으로 자기장 센서를 이동시키며 Axial과 Radial 방향의 자기장을 측정한다.
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